基于不同本构模型的桩锚基坑支护数值变形对比分析

摘 要：为了研究桩锚基坑支护数值模拟中采用不同本构模型时基坑变形定性的规律，本文采用PLAXIS数值分析软件，分别采用 HS模型和M-C模型分析非降水和降水开挖后基坑变形，并进行对比分析。结果表明：土体采用HS模型计算出的沉降比M-C计算结果大，坑底隆起比M-C计算结果小;

关键词：HS模型;M-C模型;基坑变形;PLAXIS

引言

基坑变形数值分析中，首先需要选取一个合适的本构模型，经典的本构模型包括摩尔-库伦模型、土体硬化模型、修正摩尔-库伦模型、修正剑桥模型等，每个模型都有不同优缺点和适用条件。在不考虑数值分析中土体的蠕变性时，可以采用M-C模型（摩尔-库伦模型）和HS模型（土体硬化模型）。国内外很多学者研究了各种本构模型的适用性以及其区别，本文采用PLAXIS数值模拟软件，分别基于HS 模型和M-C模型，探究上述模型在桩锚基坑中变形的规律。

一、HS模型简介

该模型来源于标准排水三轴试验主加载下竖向应变ε1和偏应力q之间的双曲线关系，一般适用于软土和硬土在内的不同类型土体的模拟，其加载模量和卸载模量分别定义，并引入了盖帽型屈服面，即在主应力空间中随着塑性应变而膨胀，能够同时考虑剪切硬化和压缩硬化，并且采用莫尔-库伦破坏准则，HS模型能够反映应力路径对参数的影响，所以适用于各类土质条件下的深基坑开挖数值模拟计算。

二、计算模型及参数选取

1、计算模型

基坑宽20m，深10m，土体为单一均质粉质粘土层。基坑顶部地表距基坑边2～12米范围内有10kPa均布荷载，地下水位埋深3米。选用桩锚支护：上部支护桩等效厚度0.6m，嵌固深度为5m，两层锚杆，每层预应力均为200kN/m，上层锚杆总长15m，锚固长度3m，倾角30°;下层锚杆总长10米，锚固长度4m，倾角35°。模型水平方向取40米;竖直方向取20米。采用15节点三角形单元划分网格，共划分336个单元，如图2-1所示。

图2-1 几何模型及网格划分图

2、参数选取

选用土体参数如表2-1所示。

3、施工工況模拟

（1）施工支护桩，施加地面荷载;（2）开挖至地表以下3m位置;（3）施工第一层锚杆;（4）开挖至地表以下7m位置，降低开挖范围内地下水位至该深度;（5）施工第二层锚杆;（6）开挖至坑底，降低开挖范围内地下水位至坑底。

4、计算结果

将该模型分别以非降水开挖方式（采用HS土体模型）、降水开挖方式（采用HS模型和M-C模型）进行计算，得出结果如图2-2所示。

结束语

1、基坑降水和承压含水层降压是引起周边区域性地面沉降的主要原因。当采取降水措施时，坑外土体消失的浮力转化为自重应力，可视为土体有效应力增大，因此产生固结沉降，沉降值比非降水开挖计算结果大得多。

2、土体采用HS模型计算出的沉降比M-C计算结果要大，但是坑底隆起比M-C计算结果小很多，这是由于采用HS模型的土体表现较硬，而采用MC土体模型，开挖底部隆起较多，支护桩受到向上推力，减小了沉降。由于基坑开挖深度不大，坑底土体为弹性隆起，呈现“中间大两侧小”的分布形式，是否采用降水开挖方式对坑底隆起的计算结果差别不明显。

参考文献

[1]邵羽，江杰，陈俊羽，马少坤，何建兴，韦朝华.基于HSS模型与MCC模型的深基坑降水开挖变形分析[J].水利学报，2015，46（S1）：231-235.

[2]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（08）：2283-2290.

[3]王卫东，王浩然，徐中华.上海地区基坑开挖数值分析中土体HS-Small模型参数的研究[J].岩土力学，2013，34（06）：1766-1774.

[4]王海波，徐明，宋二祥.基于硬化土模型的小应变本构模型研究[J].岩土力学，2011，32（01）：39-43+136.

（作者单位：广州大学）