您的当前位置：首页正文

宁波软土地区基坑数值计算中HS模型参数试验研究

来源：爱够旅游网

第

38卷第6期 2018年6月

隨遭達银（中奚弍）

Tunnel Construction

Vol. 38 No. 6 Jun. 2018

宁波软土地区基坑数值计算中H

杨兰强

S模型参数试验研究

张

浩

周立波

夏雯

管仁秋

罗伟錦

(1.浙江省工程勘察院，浙江宁波315000; 2.国网宁波供电公司，浙江宁波315010)

摘要：土体HS模型已成为软土基坑数值模拟中较为常用的本构模型之一，但由于其模型参数较多，很多参数无法从勘察报告中直接获取。为了解决模型参数的取值问题，选取宁波地区典型的

2种土样（淤泥质土、粉质黏土），开展标准固结试验、三轴固结排水

剪切试验以及三轴固结排水加载一卸载一再加载试验，获得土体应力-应变关系。根据曲线确定宁波地区典型土层的HS模型参数

和

，以及模型参数之间的关系。并将试验结果与上海软土地区、天津软土地区取得的模量关系进行对比分

析。最后对宁波新典路过街通道深基坑工程进行三维有限元分析，计算结果与实测数据较为接近，从而验证HS模型及试验获取的

HS参数在宁波地区基坑开挖数值计算中的适用性。

关键词：软土地区；HS模型；模量；数值模拟；三轴试验；固结试验；基坑 DOI： 10. 3973/j. issn. 2096 -4498.2018.06.010中图分类号：U 45 文献标志码：A 文章编号：2096 -4498(2018)06 -0954 -09

Experimental Study of Parameters of HS Model for Numerical

Analysis of Foundation Pits in Ningbo Soft Soil Area

YANG Lanqiang1, ZHOU Libo2，XIA Wen2, GUAN Renqiu1, ZHANG Hao2, LUO Weijin1(1. Zhejiang Engineering Investigation Institute，Ningbo 315000，Zhejiang，China ； 2. Ningbo ElecPower Supply Company，State Grid Corporation of China，Ningbo 315010，Zhejiang，China)Abstract ： The hardening

soil

( HS) model has been one of the most widely used co

simulation of soft soil foundation pits. However , due to its more model parameters , many parameters cannot be obtained directly from the investigation report. In order to solve the problem of model parameter values，the two kinds of typical soil samples，sludge and silty clay，are selected in reloading test. And

then

the with for

HS those the

Ningbo area.

The stress-strain curves of

soil

are e.

standard consolidation test， triaxial consolidated drained test and triaxial consolidated drained loading-unloading

model parameters of the typical soils curves. Meanwhile，the relationships of

soft

soil

cross-street

Ningbo，i. and

determined according to the test results are compared analysis is carried

out

stress-strain

among the

parameters

are

Shanghai Tianjin. Finally， thr

tunnel foundation pit on Xindian Road. The calculation

monitored data，which proves that the HS model and its parameters obtained by test are applicable to numerical analysisof foundation pits in Ningbo.Keywords ： soft soil area ； foundation pit

hardening

soil

( HS) model ； modulus ； numerical simulation ； triaxial test

0引言

满足变形要求，以保护周围的建（构）筑物，而目前规范提供的方法并不能解决基坑开挖对周围环境的影响[1_2]。

随着有限单元法的发展，有限元已逐渐成为解决基坑变形预估问题的主要方法，而有限元数值模拟方法的核心问题之一是选取合适的土体本构模型和计算

随着城市的快速发展，土地已成为稀缺资源，在建

筑向高空发展的同时，地下空间的利用也必然成为一个重要方向。基坑工程经常邻近敏感的建（构）筑物，如地铁、顶管电力隧道、浅基础建筑和桥梁等。面临这些问题时，基坑支护结构除了需满足强度要求外，还需

收稿日期：2017 -08 -03；修回日期：2018-01 -07

第一作者简介：杨兰强（987—）男，江苏丹阳人，2014年毕业于中国科学院大学，建筑与土木工程专业，硕士，工程师，主要从事深基坑工程的设计与理论分析。E-mail: 444899040@ qq. com。

第6期杨兰强，等：宁波软土地区基坑数值计算中HS模型参数试验研究955

参数。目前，对于软土地区基坑工程的数值模拟，HS 模型（hardening soil model)具有明显的适应性[3-4]。王培鑫等[5]借助有限元方法结合监测结果，验证了土

体HS模型在评估基坑开挖对邻近铁路变形影响的数值模拟中的适用性。姜宝臣等[]借助MIDAS GTS有限元软件以及理正深基坑软件分析总结了复杂敏感环境下的深大基坑采用土体HS模型数值模拟获取的结果，同时指出土体参数选取是关键。白成生[7]利用 Plaxi软件以及HS模型分析了基坑工程的变形特性，并对各本构模型进行了对比分析。由于HS模型采用双曲线拟合应力和应变特性，能够反映土体的非线性特性，而且HS模型采用与应力相关的模型参数，能够反映基坑工程不同的应力路径，因此，HS模型比较适用于深基坑工程的计算分析。刘畅[]从土体不同强度、变形参数以及基坑空间效应角度考虑，验证了土体 HS模型与实际结果较为吻合。

HS模型参数较多，想要获取完整的模型参数非常

困难，而目前HS模型参数主要通过工程实际监测数据反分析或通过室内土工试验得到，其中，室内土工试验法能直接测得土体的物理力学性质指标，更真实地反映土体的实际状态。王卫东等[9]通过固结试验、三轴试验等手段较完整地总结了上海软土地区的HS模型参数。由于岩土材料具有明显的地域性，对于宁波软土地区尚无关于HS模型参数的报道。为此，本文将对宁波典型软土开展室内土工试验获取其HS模型参数，并对其模量关系进行分析，以期为宁波地区类似基坑工程数值模拟提供参考。

1 土体HS模型及其参数求解

HS模型是由T. Schanz在P. A. Vermeei•的双硬化

模型基础上提出的一种等向硬化弹塑性模型，该模型

可以同时考虑剪切硬化和压缩硬化，并满足Mohr -

Coulomb破坏准则[10]。

HS模型共包含11项参数：土的有效黏聚力

有效内摩擦角，、正常固结条件下静止侧压力系数

X。、土的剪胀角^、刚度应力水平相关幂指数肌、参考

应力加卸载泊松比V、三轴排水剪切试验的参考割线模量£『0、三轴排水剪切试验的参考加卸载模量数心、固结试验中的参考切线模量和破坏比尽。

HS模型参数中土的剪胀角少，对于砂土一般取

少=，-30。;对于黏性土、淤泥质土一般取0[1]。静止侧压力系数X可按X = 1 - Sn，计算得到[1]。对于应力水平相关幂指数m，取值为0.5〜1，土体强度越大取值越大，强度越小取值越大[13]。加卸载泊松比 V的取值为0• 1 ~0.40,淤泥质土取为0.35 ~0.4,粉质黏土取为0. 25 ~0. 30[14];参考应力，£取100 kPa。剩余的6个HS模型参数、<^和Rf将通过标准固结试验、三轴固结排水剪切试验和三轴加

卸载试验确定。

图1示出由标准固结试验^ - A曲线求取的参考割线模量£=。其求解步骤是：通过标准固结试验获取^ ^的关系曲线，再根据其曲线得到轴向荷载

P =100 kPa时曲线的斜率，即参考应力，为100 kPa

时得到的参考切线模量£=。

轴向应变\\

图

1由标准固结试验％ ^曲线定义的五=Fig. 1 E^!d defined by curve cr1 -e1 of consolidation test

图2示出三轴固结排水试验的双曲线应力-应变关系，其求解步骤是:先由三轴试验的应力-应变关系求解土体破坏偏应力？f然后根据Konder建议的双曲线关系求得极限偏应力再由式（1)和式(2)求解破坏比及f。对于参考应力pref =。= 100 kPa时，试样的参考割线模量E0为^/2与轴向应变&的比值。对于参考应力pref =。= 100 kPa时，连接滞回圈2个端点，该直线的斜率为参考卸载模量Erf。

图

三轴固结排水试验的双曲线应力-应变关系

Fig. 2 Hyperbolic stress-strain relationship in primary loading for

a standard drained triaxial test

2crcos (p' + 2cr3sin

式中：9f为土体强度偏应力；a为土体极限偏应力;

分别为土体轴向应力和围压；^为有效黏聚力;

P^为有效内摩擦角。

956

隧道建设（中其文)

第38卷

2.1

试验内容及试验方案

试验材料

会出现淤泥质黏土），其中，第2层土又细分为②1、 ②2、②3,但总体土性差别不大，第2层土厚度9.4〜24.3 m，宁波几乎所有的基坑工程均受这层土影响。再往下为第4层粉质黏土和第5层粉质黏土，局部会出现黏土层，其中，第4层土局部地区会缺失。2层土土层厚度8.2〜68.6 m，其中，第5层土又细分为⑤1、 ⑤2和⑤3,总体土性差别不大。

宁波为典型的软土地区，基坑范围内各土层起伏不大。宁波城区13个建筑工地的土层物理力学参数见表1

由表1可知，基坑开挖范围内主要涉及的是

第1层粉质黏土（局部为黏土），与杂填土相连，土层厚0.5〜1.6 m。其下为第2层淤泥质粉质黏土（局部

表

Table 1 Physico-mechanical parameters of typical soils in Ningbo

土层名称第层黏土、粉质

黏土

第层淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土第4层黏土、粉质黏土

第5层黏土、粉质黏土

土层厚度/

宁波城区典型土层物理力学参数

m (kN.m_3)

重度y/ 含水率w/

孔隙比塑性指数/p/液性指数/i/

% %

eA27.3-31.00.9-13.616.7-22.119.4-30.0

12.7-15.47.6-10.6

压缩模量

&1 -2乂

0.5-1.69.4'-2.3

10.1-10.7

16.6-17.517.6-10.210.5-19.5

32.3-34.50.976-1.0216.5-10.00.50-0.741.17-1.410.73-0.090.46-0.92

4.00-5.6

42.0-5.91.27--1.49715.9-21.432.4-37.00.949-1.17713.0-20.0270-34.50.701-0.97213.5-19.6

2.11-2.7

3.46-5.14.27.95

0-16.4

4.7-52.2

11.1-13.6

15.0-19.2

对于基坑工程而言，宁波城区的土层以淤泥质土、粉质黏土为主。为此，试验材料取自宁波地区某一建筑工地的2种典型土层（淤泥质土、粉质黏土）为试样，并对采集的试样开展基本物理性质试验，如表2所示。采集的淤泥质土及粉质黏土的试样照片见图3。

表

采集土样的基本物理参数指标

Table 2 Physical parameters of typical soil layers

液限w/%塑限Wp/%土层名称塑性指数//%5021.720.3淤泥质土

3519.016.0粉质黏土

(a)三轴试验仪

(b)固结试验仪

图4试验仪器 Fig. 4 Test devices

图3

采集的淤泥质土、粉质黏土试样

Fig. 3 Silty clay and clay samples collected

2.2

试验方案及步骤

1)标准固结试验步骤：淤泥质土做3组，制样密度按1.73 g/cm3控制，试样初始含水率％按30 %、 35%和40%3种进行控制。粉质黏土做3组，制样密度按1.91 g/cm3控制，试样初始含水率％按20%、 25%和30%3种进行控制。

给试样施加不同等级的荷载，试验采用5级荷载，分别为 50 kPa、100 kPa、220 kPa、440 kPa 和 800 kPa，每级荷载固结稳定时间取24 h。

试验在浙江大学宁波理工学院的土工实验室进行。对采集的淤泥质土和粉质黏土试样分别进行标

准固结试验、三轴固结排水剪切试验（CD)和三轴固结排水加载一卸载一再加载试验。试验设备如图4 所示。

第6期杨兰强，等：宁波软土地区基坑数值计算中HS模型参数试验研究957

2) 三轴固结排水剪切试验步骤：淤泥质土选取3

种围压，分别为1〇〇 kPa、200 kPa和300 kPa。制样密度按1.73 g/cm3控制，试样初始含水率％按35%控制。粉质黏土选取3种围压，分别为50 kPa、100 kPa 和200 kPa。制样密度按1.91 //cm3控制，试样初始含水率％按30 %控制。

采用位移控制，轴向剪切速率为0. 003 7 minmm/

。当轴向应变达到17 %

时或出现明显峰值后结束

试验。试验期间上下孔隙水阀始终打开，保持排水顺畅，测其差应力-轴向应变和体应变-轴向应变的关系。3) 三轴固结排水加载一卸载一再加载试验步骤：淤泥质土选取3种围压，分别为100 kPa、200 kPa和 300 kPa。制样密度按1.3 //cm3控制，试样初始含水率％按35%控制。粉质黏土选取4种围压，分别为 50 kPa、100kPa、200 kPa 和 300 kPa。制样密度按 1.91 //cm3控制，试样初始含水率w。按30%控制。

在相同围压下，每个试样需在4个轴向应变（即轴向应变^达到1%、％、％和10% )时分别进行卸载一再加载试验，当轴向应变达到17%时或出现明显峰值时结束试验。试验期间上下孔隙水阀始终打开，保持排水顺畅。

3试验结果及参数确定

3.1标准固结试验结果及参数确定

e宁波淤泥质土、粉质黏土试样的标准固结试验 -p曲线见图5。由图5可知，宁波淤泥质土在不同孔隙比的初始条件下，随着轴向力P的不断增大，3种不同初始孔隙比的e 曲线很快重合成1条曲线。而宁波粉质黏土由于土体强度、模量均大于淤泥质土，所以3种不同初始孔隙比的e 曲线未能很快重合成1条曲线，但随着轴力P的不断增大，其重合的趋势明显。从图5可得知宁波淤泥质土试样在荷载间隔凡= 100 kPa至外=2〇0 kPa时，对应的压缩模量艮1_2为 2.55 ~2.73 MPa。宁波粉质黏土试样在荷载间隔朽= 100 kPa至几=200 kPa时对应的压缩模量&_2为 2. 94 ~5. 35 MPa，而且这2种土层试样的压缩模量 £S1 _2随初始孔隙比e增大而减小，充分表现土体密实度越高，压缩模量越大的特点。

宁波淤泥质土、粉质黏土试样的标准固结试验轴向荷载与轴向应变的关系曲线见图6。由图6可知，不同初始孔隙比 e 下的宁波淤泥质土、粉质黏土的轴向应力P与轴向应变&的关系曲线可由式(3)拟合。

P=kee'。 ()式中为试验拟合参数。

Fig. 5 Relationships 图5各between load and 土层试样固结试验e

-p曲线

consolidation test

void ration of soil layers in

(a)宁波激•泥质土

(b)宁波粉质黏土

Fig. 图

66 各土层试Relationships between load 样固结试验轴向荷and 载与strain in consolidation test

轴向应变的关系曲线958

隧道建设（中其文)

第38卷

图6中宁波淤泥质土、粉质黏土的试验拟合曲线的相关性系数R2均约为〇. 99。从图6可以看出，宁波淤泥质土、粉质黏土的土样轴向应变^随轴向荷载

P的变化趋势相似，初期曲线比较平缓，当轴向荷载P

不断增大，其曲线斜率也不断增大。根据式（3)拟合

的试验曲线可以得到轴向荷载P = 1〇〇 kPa时曲线的斜率，即参考应力/6£为1〇〇 kPa时得到的参考切线模量£=。根据计算，宁波淤泥质土的参考切线模量£= 为1.97〜2.13 MPa，粉质黏土的参考切线模量为 2. 33 ~3. 84 MPa。这2种土层试样的参考切线模量随初始孔隙比〜的变化规律与压缩模量£si_2相似。3.2三轴固结排水剪切试验结果及参数确定

宁波淤泥质土、粉质黏土试样的三轴固结排水剪切试验的差应力与轴向应变的关系曲线见图7。由图 7可知，宁波淤泥质土随着围压的逐渐增大，其应力- 应变曲线表现为应变软化型，而粉质黏土表现为应变硬化型。根据Konder的建议，其土体试样的应力-应变曲线可拟合出双曲线函数

式中a、为试验拟合参数。

图7

各土层试样三轴固结排水剪切试验应力-应变关系曲线

Fig. 7 Strain-stress curves of triaxial CD test of each sample

宁波淤泥质土、粉质黏土通过第1节（土体HS模型及其参数求解）和式（4)计算获取的参数统计表见表3。由表3可知，各围压下宁波淤泥质土的破坏比

Rf 为0.83 ~1.0,割线模量£5。为 0.58 ~9.63 MPa;粉

质黏土的破坏比Rf为0.52〜0.6

8,割线模量£5。为

1.32~4.42MPa。取围压。=100kPa作为参考应力，时，则宁波淤泥质土的参考割线模量硿为

0.58 MPa，对应破坏比R为0. 83 ;粉质黏土的参考割线模量£50为3. 0 MPa，对应破坏比R为0. 66。

表

3各土层试样计算参数统计表

Table 3 Calculating parameter statistics of each sample

土层qfkkaRf

£50/MPxCT3 /kPa66.2

550.830.58100淤泥质土

109.897.30.891.99200129.3129.11.09.63300148.4

100.40.681.3250粉质黏土

353.1231.80.663.010089.3

444.8

0.52

4.42

200

3.3

三轴固结排水加载_卸载一再加载剪切试验结

果及参数确定

宁波淤泥质土、粉质黏土试样的三轴加卸载试验的差应力与轴向应变关系曲线见图8。由图8可知，卸载初期轴向应变略微增大，当卸载到一定程度，轴向应变又稍微减小，但整体表现为一定的卸载回弹。在加载的过程中，初期应力-应变曲线非常陡，后期变得很缓。卸载一再加载过程中的宁波淤泥质土及粉质黏土的应力-应变关系均表现为1个滞回圈。连接滞回圈2个端点，该直线的斜率即为各围压^下所对应的卸载模量£ur。取围压。=10 kPa作为参考应力，时，则宁波淤泥质土的参考卸载模量£^为4. 4 MPa; 粉质黏土的参考卸载模量为15. 0 MPa。3.4

试样抗剪强度

宁波淤泥质土和粉质黏土试样在不同围压下的摩尔圆和抗剪强度包络线见图9,试验结果符合

Tf = CTtan ip' + c

'。

(5)

式中：，为有效内摩擦角,；^为有效黏聚力，kPa。

一般认为，对于三轴固结排水试验，正常固结软黏土的黏聚力C «0[15]，所以，对于宁波淤泥质土的强度

Tf = CTtan p'。

(6)

计算得到宁波淤泥质土的有效黏聚力c为0 kPa，有效内摩擦角P为17.7°。粉质黏土的有效黏聚力C 为14.5 kPa，有效内摩擦角P为27.13°。

由于目前勘察报告一般仅提供固结快剪试验的

c、p值，与表1统计的数值大体相当，因此，HS模型中

第6期杨兰强，等：宁波软土地区基坑数值计算中HS模型参数试验研究959

的值采用勘察报告提供的固结快剪试验的值是合适的。

(a)宁波淤泥质土

(b)宁波粉质黏土

图9

各土层试样摩尔圆和抗剪强度包络线

Fig. 9 Mohr circles and shear strength envelopes of each sample

4 HS模型参数取值讨论4.1

宁波土层各模量之间关系

通过对宁波地区典型的土层试样（淤泥质土、粉

质黏土）开展标准固结试验、三轴固结排水剪切试验和三轴固结排水加载一卸载一再加载剪切试验可获取各试样的HS模型参数：有效黏聚力c\\有效内摩擦角

8各土层试样三轴加卸载试验应力-应变关系曲线

Fig. 8 Strain-stress curves of triaxial CD loading-unloading

图

，、参考切线模量£=、参考割线模量尽ef、参考卸载模量cf以及破坏比^，并建立各模量之间的关系式，见表4。

reloading test of each sample

土层名称

4 土体HS模型参数对比表

Table 4 Comparison of parameters of HS model among different soils

HS 模型参数

MPa£；；efd/MPa £rf/MPa £U//MPa cVkPa只f，/(。）

表

模量之间比例关系

淤泥质土

宁波软土

地区

粉质黏土

2.6 -2.7

2.9 〜5.4

0.583.0

4.415

14.5

17.7 27.13

0.83 0.66

£；,ef=7.6i?rf；

^f=0iofd;^d=0.78i?si_2

淤泥质土

上海软土地区[6]

粉质黏土

Po/= ( 0.72-0.79 )sl^? = (7.8〜9.3)頌；

1.3~2.2 1.2~1.9 1.6~2.0 14.9-15.6 3 ~ 10 20.1 ~ 27. 3 0. 54 ~ 0. 58 五老=(0. 9 ~ 1.1) Pe/;

pe/=0.9ps1-2

£；^ = (4.3~4.4)£老；

3.9~6.3 3.4~6.1 4.4~5.5 19.3~23.5 10~20 25. 2 ~ 26. 7 0. 95 ~ 0. 96 £老=(1 3 ~ 3. 5) £=/;

P:/ = (0.9〜1)Ps1_2

pef = (0.5-1. 8)0/

天津软土地区[5]

由表4可知，宁波软土地区土体的prf是pef的 5 ~7.6 倍，pf是 P/的 0• 28 - 1. 0 倍，pe/是 Ps1-2的

0.72〜0.79倍。由于目前勘察报告一般仅提供压缩模量Ps1 _2，有了这些关系后，就可以根据压缩模量

960

隧道建设（中其文)

第38卷

乙。确定HS模型中的各模量(£=、<和O的值。

表4中还给出了上海软土地区及天津软土地区的

HS模型参数。由表4可知，宁波地区的淤泥质土、粉

质黏土与上海地区的淤泥质土、粉质黏土的压缩模量 £81_2大体相当。宁波地区的淤泥质土的有效内摩擦角，小于上海地区的淤泥质土的有效内摩擦角。易坤津[16]、赵国强[17]通过大量的工程实践统计，也同样发现这一规律。此外，对于淤泥质土的孔隙比、含水率，整体上宁波高于上海和天津，而渗透性远低于上海和天津。

淤泥质土、粉质黏土的破坏比Rf宁波地区与上海地区有明显差异。土体破坏比^是土体强度偏应力与土体极限偏应力的比值，其中，土体强度偏应力是按峰值强度或15%轴向应变取值;土体极限偏应力概念的前提是假设土体满足双曲线规律。为此，宁波地区和上海地区的淤泥质土、粉质黏土的破坏比足的差异本身无概念意义，但可直接说明宁波地区和上海地区的淤泥质土、粉质黏土的应力-应变关系曲线存在较大差异，间接说明地区土体的差异性。

宁波淤泥质土的£=为£S1_2的0. 78倍与上海淤泥质土的=0.9艮i_2的关系相近。宁波粉质黏土的五=为艮i_2的0. 72〜0. 79倍与上海粉质黏土的 £= = (〇• 9〜1)乙_2的关系有一定差异。

宁波淤泥质土的为的0. 28倍关系与上海淤泥质土的£?0 = (0.9〜1. 1)£=的关系存在较大差异，与天津软土得到£『0 = (0. 5〜1.8)£=的关系也存在一定差异;宁波粉质黏土的为£=的1倍关系与上海粉质黏土的£5f = (1. 3〜3. 5) £=的关系也有一定差异，其中，上海粉质黏土表现更大的离散性。

宁波淤泥质土的£^为的7. 6倍关系与上海淤泥质土的Cf = (7. 8〜9. 3) £『0存在小幅差异，但上海淤泥质土表现更显著离散性，与天津软土得到的

Cf =4C0的关系也存在较大差异。宁波粉质黏土的 Cf为C0的5倍关系与上海粉质黏土的Cf = (4. 3 ~

4.4)C5f的关系相近。

由此可知，上海地区和天津地区的HS模型中的各模量（£=、6;£和C：f)与压缩模量（Csl-2)的比例关系各不相同，表现出明显的地区差异。4.2工程实例验证 4.2.1工程概况

选取宁波城区的新典路过街通道的基坑实例进行验证。该项目位于宁波市鄞州区长丰桥南端，拟建地下通道的基坑深度5.9 ~ 12.05 m，基坑开挖范围内土体以淤泥质土、粉质黏土为主。基坑支护采用#90〜

1 100@ 1 200 ~ 1 300 mm钻孔灌注桩+ 4道支撑的形

式。其中，第1道支撑为钢筋混凝土支撑，其余3道支撑为609钢管支撑。钻孔灌注桩桩长19〜23 m，具体

如图

10所示。

图

新典路过街通道基坑实例

Fig. 10 Cross-street tunnel foundation pit on Xindian Road

该基坑邻近

1条顶管电力隧道，要求基坑变形对

顶管电力隧道的变形影响控制在20 mm以内。该顶

管电力隧道为混凝土管节结构，隧道直径为3 m，管壁

厚

250 mm，管节长2.5 m，管节间的连接方式为预埋钢套环F型承插式接头，橡胶止水，埋深为7. 69〜 8.35 m。基坑边距离电力隧道6.5 ~ 13 m。4.2.2数值计算模型及其参数

采用MIDAS/NX三维有限元软件对新典路过街通道基坑进行模拟分析，其土体本构模型采用HS模型，参数按照表4统计的关系式确定。

基坑支护结构和电力隧道结构单元网格见图

11，

由图可知，基坑支护钻孔桩采用刚度等效的原理模拟，等效为地下连续墙，采用板单元进行模拟，支撑和环梁采用梁单元进行模拟。顶管电力隧道的管片采用板单元进行模拟。

图

Fig. 11 1

基坑支护结构、顶管电力隧道结构单元网格图

FEM model of structural support and electric power tunnel

土体三维实体单元模型见图

12,由图12可知，基

坑内外土体均采用实体单元（4节点单元）进行模拟。该模型尺寸为

110 mxl50 mx40 m(长X宽X高）。

边界条件为土体左右、前后界面上固定方向的位移;底部界面固定方向的位移。

第6期杨兰强，等：宁波软土地区基坑数值计算中HS模型参数试验研究961

图

土体三维实体单元模型

Fig. 12 Three-dimensional entity unit model of soil4.2.3

模拟结果与验证

文献

[4]较系统地总结了基坑数值模拟中较常用

的土体本构模型，并根据算例分析了各本构模型的适用性。该研究指出，弹

-理想塑性

M - C模

型和

D - P

模型由于采用单一刚度，导致墙体变形及墙后变形过大，与实际差别较大。而修正剑桥模型、H

S模型考虑

了土体应变硬化特征，能区分加荷与卸荷的区别，且考虑刚度依赖于应力历史和应力路径的情形，基坑数值模拟中模拟的墙体变形及墙后土体变形情况与实际较吻合，但由于

HS模型需要输入的参数较多，因此，选

用合适的土体参数是关键。

支护粧水平位移和顶管电力隧道位移对比分别见

图

13和图14。由图13和图14可知，当基坑开挖至坑

底(深度5.9 m)时，实际监测的支护粧水平最大位移为 23. 1 mm，而数值模拟的结果为24. 5 mm。邻近的顶管电力隧道实际监测最大位移为4. 6 mm，而数值模拟的结果为5.1 mm。基坑按实际工况进行模拟，模拟基坑开

挖至基坑底，之后的主体结构向上施工、土方回填等工况对支护结构变形、邻近的顶管电力隧道变形影响不大，故之后的工况本次未模拟。结果说明在宁波软土地区，当采用土体

HS本构模型以及表4

总结归纳的土体参数时，

其基坑开挖数值模拟的墙体变形及墙后建(构)筑物变形情况与实际较为吻合，从而验证了 H

S模型以及总结的土

参数在宁波软土地区基坑开挖数数值模拟中的适用性。

基坑开挖阶段时间/d

图

顶管电力隧道位移对比图

Fig. 14 Comparison of displacements of pipe-jacking power tunnel

结论与讨论

通过选取宁波典型的2种土层（淤泥质土、粉质黏土），开展标准固结试验、三轴固结排水剪切试验和三轴固结排水加卸载试验，获得了宁波地区典型软土

的HS模型参数数值，以及模型参数之间的比例关系，主要结论如下：

1) 宁波软土地区土体的心是 <的5〜7. 6<是ce的〇• 2

〜1.0

倍，ce是乙-2的〇• 72〜0. 79

倍。可根据压缩模量乙_2确定HS模型中的五=、< 和cf的值。

2) 宁波地区的淤泥质土、粉质黏土与上海地区的淤泥质土、粉质黏土的压缩模量C1-2大体相当。对于淤泥质土的有效内摩擦角心，宁波地区的小于上海地区，而对于淤泥质土、粉质黏土破坏比^，宁波地区的与上海地区的有明显差异。在宁波地区、上海地区和天津地区的hs模型中，各模量（ce、cf和crf)与压缩模量(C1 -2 )的比例关系各不相同，表现出明显的地区差异。

对宁波新典路过街通道深基坑工程进行三维

分析，计算结果与实测数据较为接近，从而验证了 HS 模型及本文统计的HS参数在宁波地区基坑开挖数值计算中的适用性。

4) 由于岩土材料的离散性较强，对于宁波地区土体参数，尤其是HS模型中几个模量之间的关系，还需要通过开展大量的土工试验以获取统计学规律。

参考文献（References):

[]

建筑基坑支护技术规程：

JGJ 120—2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012: 8.

Technical specification for retaining and protection of building foundation excavations： JGJ 120-2012 [ S ]. Beijing： China Architecture & Building Press, 2012： 8.

倍，

962

隧道建设（中其文)

第38卷

[2]

建筑基坑工程技术规程：DB33/T 1096—2014 [S].杭州：浙江工商大学出版社，

2014 : 94.

Technical specification for building foundation excavation engineering： DB33/T 1096-2014 [S]. Hangzhou： Zhejiang Gongshang University Press, 2014： 94.

[3 ] BRI1MKGREVE RB J. Selection of soil models and parameters

for geotechnical engineering application [ C ] // Proceedings of the Sessions of the Go-frontiers 2005 Congress. Texas ： [ s. n. ] 2005: 69.

[]徐中华，王卫东.敏感环境下基坑数值分析中土体本构

模型的选择[J].岩土力学，XU Zhonghua, WANG Weidong. 2010, 31Selection (1): 28.

of soilconstitutive models for numerical analysis of deep excavations in close proximity to sensitive properties [ J ]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(1) ： 258.

[]王培鑫，周顺华，季昌，等.临近铁路坑中坑偏载基坑

开挖支护结构受力与变形规律研究2016, 36(8) [].隧道建设，： 911.

WANG Peixin , ZHOU Shunhua，JI Chang，et al. Study of deformation rules and stress of retaining structure of unsymmetrically loaded foundation pit in another foundation pit adjacent to railway [ J]. Tunnel Construction, 2016, 36(8)： 911.

[]姜宝臣，李现森.复杂敏感环境下的深大基坑设计与实

践[].隧道建设，2017, 37(5)： 600.

JIANGBaochen，LI Xiansen. Design and practice of deep and large-scale foundation pit in complex and sensitive

environment[ J]. Tunnel Construction, 2017，37(5) ：

600. []白成生.佛山东平广场坑边逆作深基坑变形数值分析

[J].岩土工程学报，2012, 34(增刊1)： 139.

BAI Chengsheng. Numerical analysis of deformation of excavation of Foshan Dongping Plaza using edge top-down construction method [ J ]. Chinese Jounal of Geotechnical

Engineering, 2012，34(S1) ：

139.[]刘畅.考虑土体不同强度与变形参数及基坑支护空间影

响的基坑支护变形与内力研究[D].天津：天津大学， 2008．

LIUChang. Analysis of deformation and stress due to deep excavation considering different deformation and strengthparameters of soil and space effect of excavation and retaining structure[ D]. Tianjin： Tianjin University, 2008.

[9] 王卫东，王浩然，徐中华.基坑开挖数值分析中土体硬

化模型参数的试验研究[J].岩土力学，2012, 33(8)： 2283．

WANG Weidong, WANG Haoran， XU Zhonghua.Experimental study of parameters of hardening soil model for numerical analysis of excavations of foundation pits [ J ]. Rock and Soil Mechanics, 2012，33(8) ： 2283.

[10] VERMEER P A. A double hardening model for sand[J].

Geotechnique，1978，28(4) ： 413.

[11] BRINKGREVE R，BROERE W. Plaxis material models

manual[ M]. Delft： [ s. n. ]，2006.[12] ATTEWELL P B， FARMER I W. Ground deformations

resulting from shield tunneling in London Clay [ J ] . Canadian Geotechnical Journal，1974，11(3) ： 380.[13 ] VUCETICM，DOBRYR. Effect of sil plasticity on cyclic

response[ J]. Journal of Geotechnical Engineering， 1991， 117(1) ： 89.[14] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M]. 4版.北京：中国建筑工业出版社，2007： 160.

Geological Engineering Handbook Editorial Committee. Geological engineering handbook [ M ]. 4th ed. Beijing ： China Architecture & Building Press, 2007： 160.

[15] 李广信，张丙印，于玉贞.土力学[M]. 2版.北京：清华大学出版社，2013： 198.LI Guangxin， ZHANG Bingyin， YU Yuzhen. Soil mechanics [ M ]. 2nd ed. Beijing ： Tsinghua University Press, 2013 ： 198.

[16] 易坤津.上海地区与宁波地区软土工程特性分析[].

浙江建筑，2012, 29(5)： 30.

YI Kunjin. Analysis of engineering property of soft soils in Shanghai and Ningbo area [ J ]. Zhejiang Construction， 2012, 29(5) ： 30.

[17] 赵国强.宁波深厚淤泥地层地铁深基坑变形特征与控制研究[D].长春：吉林大学，2012.

ZHAO Guoqiang. Study of deformation characteristics of subway deep excavation and control in Ningbo deep siltregion[ D]. Changchun： Jilin University, 2012.

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文