波士顿蓝粘土深基坑开挖性能的非线性有限元预测
摘要
本文研究了位于马萨诸塞州波士顿的一个100米宽地下室的深基坑的受力情况。采用了两种不同类型的捆扎式挡土墙，即士兵桩导管混凝土墙和传统的钢筋混凝土地下连续墙。用结构化土壤运动硬化模型(KHSM)及其简化气泡模型(KHM)和著名的改良Cam粘土(MCC)模型模拟了冰期海相粘土（波士顿蓝粘土）沉积。不同的模型是预测软化和结构的损失，当塑性应变发生。模拟中使用的优化土壤参数的值是通过仔细校准模型，并对照在现场进行的一系列先进的实验室和现场测试得出的。将现有的水平墙移动监测数据与不排水的有限元预测结果进行了比较，结果表明，当KHM与小应变弹性公式结合使用时，吻合得非常好。在KHSM中考虑到初始结构存在时，侧向墙挠度相对较小的增加，证实了土体的小应变特性控制了开挖变形的大小。最后，利用耦合固结分析和KHSM方法，得到了基坑开挖过程中孔隙水压力与地基移动的良好吻合。DOI:10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001650。copy;2017美国土木工程师学会。
关键词：挖掘；本构模型；有限元法；地下连续墙；仪器仪表。
前言
近年来，建筑工程行业越来越多地参与到城市环境建设中来。由于世界发达地区和发展中地区可供建设的土地有限，城市更新项目以及诸如深地下室、地铁和服务隧道等各种基础设施的建设都有所增加。为了安全和及时地完成深挖工程，通常需要使用适当的挡土墙和支撑系统，以尽量减少过大的地面移动。在挖掘工程中，成功地控制移动往往与保证不发生坍塌一样重要。因此，变形的极限值应根据使用极限状态仔细规定。然而，过分的限制很可能导致不经济的深挖设计。通常采用两种技术来评估预期的墙体挠度和地面沉降。这些方法包括从已发表的经验数据集进行插值（例如，Peck1969；
Clough和O#39;Rourke，1990年；Puller 2003）或分析和数值方法，例如有限元(FE)分析（例如，Chang和Duncan1970；伯兰和汉考克1977年；辛普森等人。1979年；Powrie和Batten 2000年）。
与实验室和现场数据相结合使用的数值方法是当今研究界和岩土工程专业的标准做法。作为一个例子，波士顿邮局广场一个七层地下停车库的自上而下的建造是由Whittle等人建模的。（1993）利用耦合有限元模拟实现了波士顿蓝粘土(BBC)的先进MIT-E3模型。随后，Hashash和Whittle(1996)进行了一系列非线性有限元分析，研究了墙的埋设深度、支护条件和应力历史剖面对深部粘土矿物中支撑地下连续墙周围不排水变形的影响。他们的工作提供了有用的设计图表，用于估计作为挖掘深度和支护条件的函数的地面移动。Zdravkovic等人。（2005）利用帝国理工学院有限元程序(ICFEP)模拟了伦敦Crossrail路线上的Moorgate车站的一个深方形挖掘。用于校准数值模型的数据以Addenbrooke等人的工作为基础。（1997年），他在朱比利线地下延伸段的隧道工程中对圣詹姆斯公园地区的伦敦粘土样品进行了小应变三轴试验。最近，Nikolinakou等人。（2011）使用根据现场动力贯入试验数据校准的广义MIT-S1模型研究了柏林沙中20 m深开挖的性能，而Whittle等人。（2015年）使用MIT-E3模型调查了在波士顿蓝粘土中进行的18米挖掘,该挖掘是在波士顿南部建造银线法院站所需的。
本文采用一个在运动硬化塑性框架内建立的天然粘土本构模型（Rouainia and Muir Wood2000),并在有限元程序（PLAXIS 2D 2012）中作为用户自定义模型实现,研究了位于波士顿的一个14.6m深的地下室开挖的性能。所考虑的工程为验证所提出的有限元弹塑性模型提供了有价值的实验数据，从而可以用来分析基坑支护系统的性能。本工作采用的模型框架具有足够的复杂性，从著名的修正Cam粘土模型入手，加入了诸如应力-历史相关性、各向异性和结构等先进的模型特征，重点研究了土体本构假设对数值预测的影响。
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