基于HS本构模型软土地铁换乘车站深基坑力学特性研究

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珠三角地区典型软土地层复杂的力学性态以及城市深基坑工程面临的敏感周边环境条件,对城市地铁深基坑设计与施工提出了更高的要求,准确模拟软土地层复杂的力学性态以及深基坑工程复杂的施工力学行为尤其重要。本文以珠三角地区某地铁车站深基坑工程为研究背景,引入硬化土本构模型(简称HS模型),通过室内试验、现场测试、理论分析与有限元数值仿真模拟相结合的研究方法对软土地层以及深基坑工程复杂的力学性态进行分析研究。具体的研究内容与成果如下:(1)基于GDS应力路径三轴试验,分析研究不同应力路径条件下粉质黏土的力学特性,依据相关试验成果获取了珠三角地区典型粉质黏土HS模型参数。并基于已有的研究成果,对比分析了不同排水条件、不同应力路径以及不同地区粉质黏土的HS模型参数的变化规律。(2)基于显式积分基本刚度法的硬化土本构模型关键算法,利用ABAQUS非线性有限元分析软件二次开发功能,研制开发HS模型的内嵌UMAT子程序,通过室内常规三轴试验以及三维有限元数值模拟验证了UMAT子程序的合理性,并对比分析了HS模型与摩尔-库仑本构模型的模拟精度。(3)基于Biot三维固结理论,引入硬化土本构模型(HS模型),建立了可综合考虑软土弹塑性变形及硬化特性的三维应力-渗流耦合分析模型,系统阐述了深基坑工程应力与渗流耦合分析的定解条件以及基于ABAQUS分析平台的流固耦合有限元分析的基本原理。(4)综合运用上述研究成果,以佛山地铁三号线桂城站为研究对象,通过建立三维流固耦合有限元分析模型,分析研究了地铁换乘车站深基坑支护结构力学性态及周边环境变化特征,并对深基坑工程设计变更与施工过程的事故处理等提出合理化建议。本文的研究成果对全面掌握珠三角地区软土复杂的力学性态,完善软土深基坑工程设计与施工分析理论,确保深基坑工程安全与稳定性具有一定的参考价值。
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