基于HSS本构模型对桩间土挤出效应分析

基于HSS本构模型对桩间土挤出效应分析
摘要：桩的室内模型试验和大量工程实践都表明，桩后土体的土拱效应是分离
布置桩中最重要的力学现象。

采用HSS本构模型分析桩后土体的土拱效应，对于
认识桩后土体的应力传递规律、桩周土体的位移变化，分析桩土相互作用机理，
获得不同土体中抗滑桩的超深-位移曲线和拟合方程都具有重要工程意义。

关键词：土拱效应；HSS本构；参数分析
0 引言
基坑竖向支护体系一般采用地下连续墙和钻孔灌注桩。

当采用钻孔灌注桩时，桩间有一定的净空隙，具有止水兼挡桩间土功能的水泥搅拌桩一般插入基坑底向
下3m~5m深度，水泥搅拌桩桩底向下土体在坑内外压差下通过灌注桩桩间发生
流动变形，这部分土体的变化会存在一定的土拱效应。

土体的不均匀变形是产生
土拱的必要条件，可以认为是土体的不均匀变形造成了土体中应力分布的局部集中，土拱的形成改变了岩土材料中的应力状态，引起了应力重分布，把作用于土
拱后或土拱上的压力传递到桩身。

从土力学的角度来看，土拱效应实质上反映了
土体为了充分发挥自身抗剪强度，“主动”调整内部应力分布的一种现象。

已有的研究表明，土拱效应存在于桩后土体变形的整个过程，从开始阶段的
弹性剪切变形，到局部土体的塑性变形和破坏。

因此，认识桩后土体的土拱效应
对于分析桩土相互作用，确定合理的桩间距和桩体插入深度等都具有重要的理论
和工程意义。

文章以土拱理论为基础，通过建立二维弹塑性平面应变有限元分析模型，采
用非线性接触单元模拟桩土界面，研究土拱的形状及其主要影响因素的变化规律，并对几种主要设计参数对土拱效应的影响规律作了讨论。

在大量数值试验的分析
基础上，获得了一些对支护桩间距及帷幕插入深度设计具有一定指导意义的认识
和结论。

1 HSS本构及计算模型介绍
目前用于岩土分析的有限元软件有很多，但使用最多的是ABAQUS和Plaxis。

Plaxis中含有大量的先进本构模型，修正剑桥模型、Hardening Soil（HS）模型、
小应变土体硬化（HSS）模型都是硬化类弹塑性模型，较弹-理想塑性模型更适合
于基坑开挖的数值分析。

其中HSS本构模型不仅考虑剪切硬化和压缩硬化，同时
还考虑土体小应变刚度特性，而且该模型还在HSS模型基础上增加了对土体小应
变情况下的剪切模量衰减行为的考虑，在理论上更进一步。

因此，HSS本构模型
能更好的适用于敏感环境下基坑开挖及对桩间土挤出的数值分析，计算结果能给
出更为合理的墙体变形及墙后土体变形，被认为目前用于计算基坑工程最好的本
构模型之一。

由于主要考虑桩间土的挤出过程，取图1的数值计算模型进行有限元分析，
宽度为相邻桩中心距以及各取一半桩；长度方向取5m，桩中心距加载侧距离为1.5m、另外侧3.5m；厚度取为0.5m，采用空间四面体10节点单元进行网格划分。

约束条件：模型顶面和底面、两侧施加与之垂直的约束条件；桩侧为固定约束；左侧近端施加与之垂直的位移边界，右端远场边界为自由边界。

2 计算结果及分析
2.1压力差对桩间土影响分析
压力差指基坑围护结构内外的土压力差，为方便表述，以围护桩内外的土体
深度差来表示，即基坑的挖深，超深是指桩体插入基坑底部以下的深度（下同）。

以桩间土体位移和有效应力为控制指标，在模型中对不开挖一侧施加不同的
均布力来模拟压力差对围护结构两侧造成的影响。

图2分别给出了不同压力差下
桩间土挤出位移分布及有效应力分布规律。

在模型中，桩的远端处土体位移呈水
平带状均匀分布，但是随着压力差的增大，桩身附近土体位移分布呈现“球瓶状”。

随着基坑挖深的不断增加，土体中的有效应力也相应增加，一方面造成局部土体
的塑性变形，另一方面，使得桩后土体中主应力方向发生偏转，并最终产生土拱
效应。

2.2桩体插入深度对桩间土挤出影响分析
针对杭州典型软土特点，在大量的数值计算基础上，以桩径0.8m，挖深10m
为例，计算不同桩间距下土体模量分别为1、2、3、5、8MPa时土体最大位移量Umax与桩体插入深度Hw（即桩长超出基坑深度的值）曲线图，如图5所示。

由
图可知，对于Φ0.8m挖深10m的布桩设计，桩体插入深度Hw宜设为3~4m。

小
于此范围，对于桩间土挤出的控制未达最优；大于此范围，又造成浪费。

但是同
时需要注意的是，以上规律仅考虑曲线的曲率变化，找到每条曲线的最优范围，
为满足工程应用需要，还应参考各参数在土体位移指标控制下的量值建议。

通过
计算所得拟合相应的土体最大位移量Umax关于桩体插入深度Hw方程，如表1
所示，以期形成不同土体模量下，Umax与 Hw较为精确的数值关系，为实际工
程提供参考，提高经济性。

3 结论
通过简化计算模型，采用HSS本构模型主要分析了参数对土拱效应的影响规律，可得出：
（1）对比不同压力差下桩间土挤出位移分布及有效应力分布规律，桩的远端
处土体位移呈水平带状均匀分布，但是随着压力差的增大，桩身附近土体位移分
布呈现“球瓶状”。

随着基坑挖深的不断增加，土体中的有效应力也相应增加，一
方面造成局部土体的塑性变形，另一方面，使得桩后土体中主应力方向发生偏转，并最终产生土拱效应。

（2）对于Φ0.8m@1m（桩径0.8m，桩间净距0.2m）、Φ0.8m@1.2m（桩径0.8m，桩间净距0.4m）的布桩设计。

当基坑挖深为10m时，桩体插入深度Hw
宜设为3~4m。

小于此范围，对于桩间土挤出的控制未达最优；大于此范围，又
造成浪费。

参考文献：
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