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1、摩尔库伦和修正摩尔库伦本构有限元模拟结果对比分析作者：张瑞金 来源：中国房地产业 2015年第8期文/ 张瑞金 天津华兴勘察设计有限公司天津 300192胡奇凡 铁道第三勘察设计集团有限公司天津 300251【摘要】采用Midas GTS软件，分别利用摩尔-库伦本构和修正摩尔库伦本构对北京地区 地铁某CRD法通道施工过程进行数值模拟，模拟结果与施工监测结果对比分析表明：修正摩尔 库伦本构较好的解决了该地层采用摩尔- 库伦本构下地面隆起变形和坑道底部土体隆起偏大的 情况，能较合理地反应地层变化的趋势。根据监测结果调整数值模型，本例中数值模拟的关键 参数E在地勘资料基础上的修正系数约为0.9时较吻
2、合北京地区典型上软下硬交界地层。【关键词】摩尔库伦；修正摩尔库伦；数值模拟；弹性模量一、引言开发城市地下空间成为当前重要的发展方向，由于地下空间施工工况及结构受力的复杂性， 工程人员需借助计算机软件进行数值模拟，从而确定合理的设计、施工方案。在建立地层-结构 模型时，需要选择适合的土体本构来模拟土体的物理力学特性（非线性、弹塑性、各向异性及 排水固结特性等），常用的本构模型主要分3大类，即弹性类模型（Duncan-Chang、横观各向 同性线弹性等），弹理想塑性类模型（Mohr-Coulomb、Drucker-Prager等），应变硬化 类的弹塑性模型（修正剑桥、HardeningSoil模型
3、等）1。土体本构模型与土层特性的拟合程 度直接影响数值计算的结果。本文以北京地铁建设所处的主要地层为研究对象，充分考虑地层上部粉土、粉质粘土相对 较软，下部卵砾石地层相对较硬的特点（绝大多数区间均处于卵砾石与上部较软土层的交界位 置），运用Midas有限元计算软件，分别用摩尔-库伦（M-C本构）和修正的摩尔-库伦（修正 MC本构）对在建8号线某段暗挖通道进行数值模拟，并结合监测结果进行对比分析，以明确两 模型的适用性。并反算得出北京典型上软下硬交界地层进行数值模拟时的关键参数E在地勘资 料基础上的合理修正值2。二、摩尔-库伦（Mohr-Coulomb ）本构简介库伦（Coulomb）于1776
4、年提出土体破坏的强度方程：根据这一准则，当材料应力状态的最大摩尔圆与上式所表示包线相切时，材料就发生破坏。材料的抗剪强度与作用于该平面上正应力有关，引起材料破坏不是由于最大剪应力，而是某个它在主应力空间表现为一个不规则六面椎体表面；在平面上截面形状为一个不规则六边形 在三轴平面上表现为一个开口夹角。、Midas修正摩尔-库伦(ModifiedMohr-Coulomb )本构简介Midas修正MC本构模型是在M-C基础上改善的本构模型，剪切屈服面与M-C本构屈服面相 同，压缩屈服面为椭圆形的帽子本构。同时，修正MC本构偏平面采用了圆角处理，消除M-C本 构偏平面六边形计算顶点塑应变方向时的不稳定
5、因素，使计算的收敛性更好如图1所示：该本构可用于模拟具有幂率关系的非线性弹性模型和弹塑性模型的组合模型，使用土层较摩尔-库伦更广，特别是砂土或混凝土等具有摩擦特性的材料。修正MC模型的屈服是剪切屈服五、过街通道计算模型说明（一）工程概况过街通道为8号线某站出入口过街段，通道埋深为3.5m10.7m,主要位于粉质粘土层和 粉土层，持力层为粉砂-细砂层，其下为密实卵砾石地层。通道施工直接影响附近管线及地表道 路的正常使用，初期支护采用300mm厚格栅钢架+挂网喷射混凝土结构，设计采用108大管棚 +超前小导管注浆加固超前支护措施7。通道初支断面详见图2，土层物理力学参数如表1所 示。1:MSffU
6、h0Q仙UBtl|卫期w闌IM1!卑LUjjE克:：onijgs樹0颂4（二）计算模型说明模型分别采用 M-C 本构和修正 MC 本构进行计算。根据通道与道路的空间位置关系，采用 MIDAS/GTS 建立三维实体模型。模型中土层采用实 体单元，初支、二衬和临时支撑采用平面单元；边界条件为顶面自由边界，底面为竖向约束， 四周为法向约束；地应力场按自重应力场考虑，并考虑地面 20Kpa 的车辆超载；通过调整边界 属性加强土体参数模拟土层加固效果；以先后激活和钝化相应土层及相应结构来实现通道的施 工过程每组导洞间隔一定的施工步骤进行钝化和激活操作，以此模拟相邻导洞应前后错开施工 效果；通道初支完成后
7、分两段模拟二衬结构，共设置34个施工步。模型网格划分如图3所示。（三）计算结果及分析1、结构内力对比分析分别采用M-C本构（n=l）和修正MC本构（n=0.8, 1, 1.5）建立模型，通道初支结构和二 衬结构的弯矩如表2所示。WMi瞬1nilSl制BiI由表格可以看出,两种本构对初支和二衬内力影响不大,在修正摩尔库伦本构下 n=0.8,1 1.5,随着n值增大初支、二衬结构弯矩均变小，但是影响不明显；M-C本构下初支承担的土压 力比例大于Midas修正MC本构下的计算结果2、地表沉降变形对比根据图4所示计算结果，在摩尔-库伦本构下，地面在距离通道中心线两侧约820m范围 出现了隆起趋势，且隆
8、起最大值达到3.6mm,这一结果与实际不吻合，由此可见M-C本构处理 土体开挖并不理想。在修正MC本构下，地面土体隆起的情况得到较好解决，距隧道中线越远地 面沉降变形趋势首先迅速减小然后放缓，通道开挖对地面影响范围主要在通道中心两侧各15m 之间，这符合通道开挖产生的变形趋势，并与监测结果吻合，说明修正MC本构处理地表变形的 结果优于M-C本构。M-C本构模型的计算结果比相同条件下的修正MC本构模型计算结果要大，整个开挖过程中 M-C本构计算的地表最大沉降变形是修正MC本构的1.3倍。n值越小对计算结果越敏感，地表 沉降值会迅速增加；相反n值增大地表沉降会有所减小。这是因为M-C本构为弹-理想
9、塑性模型，土体刚度单一，它能较好地描述土体的破坏行为， 认为土体在达到抗剪强度之前的应力-应变关系符合胡克定律，因而不能较好的描述土体在破坏 之前的变形行为，且不能考虑应力历史的影响及区分加荷和卸荷。修正MC本构该本构剪切屈服 面和压缩屈服面是独立的，剪切屈服面与摩尔-库伦本构屈服面相同，压缩屈服面为椭圆形的帽 子本构，考虑了土体的剪胀和中性加荷。修正MC本构在主应力空间中屈服面并不是固定不变， 而是可以随着塑性应变而扩张。3、仰拱处土体隆起变形对比通道土体开挖之后，土体卸荷产生弹性效应，且通道以外土体压力大于通道部位土压力， 引起向通道底部挤压趋势，使仰拱处产生回弹、隆起变形。本例中通道埋深
10、较浅，通道外土体 挤压产生的隆起趋势不大，主要为土体卸荷产生。由图5可以看出，M-C模型下CRD左下、右下导洞初支在临时中隔壁两侧约2m处达到最大 隆起，根据北京上软下密地层特点，这与类似地层中暗挖工程仰拱隆起的情况不符合。相比之 下修正摩尔库伦更符合实际情况；同时可以看出，n越小隆起值增速越快，相反n值增大时隆 起值有所减小。结果表明，修正MC模型下，隆起偏大的情况得到了很好的改正，修正MC模型 在处理砂土、卵石等土体隆起变形的结果优于M-C模型。结合工程监测和相关监测数据，经过 反算得出，本工程n=0. 9时与实际监测基本相吻合，这说明修正MC模型下，可近似由相应应力 水平下压缩试验得到的
11、弹性模量进行修正得到，本例中近似取 0.9 时计算结果与实际较为接近。六结语1、摩尔一库伦和Midas修正摩尔-库伦两种本构模型下通道初支和二衬的内力影响不大， 但是可以看出，M-C本构下初支承担的土压力比例大于修正MC本构，对二衬结构受力计算偏于 不保守，随着土体弹性模量值的加大，初支和二衬承担的土压力将减小。2、由于M-C本构土体只有单一刚度，不能处理土体卸荷的特性，修正MC本构考虑了土体 弹性卸载/再加载时的弹性模量，从而能较好的解决了 M-C本构下地面隆起变形和坑道底部土体 隆起偏大的情况。同时修正MC本构考虑了土体的剪胀和中性加荷，更好地体现了密实卵砾石地层的剪胀特性，因而修正MC本
12、构下地表最大沉降有所减小，差异沉降减小。这表明修正MC本 构在模拟北京典型的上软下硬土体开挖时具有较好的适应性。3、的取值，从理论上看不等于压缩模量，参照工程经验在使用时可以近似以地勘出具的压1 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.岩土力学， 2010.01,第31卷第1期2 熊健，反分析法研究HS与HSS模型在基坑计算中的应用，山西建筑，2011.06，第37 卷第18期3 李广信高等土力学M.北京：清华大学出版社，20064北京迈达斯技术有限公司,MIdasGTS/NX 理论分析_2 .pdf5 王立忠，李玲玲，浙江大学建筑工程学院，结构性软土非线弹性模型中泊松比的取值， 文章编号： 055929350（2006）02201502106 江建红，崔江余，不同土体本构模型对基坑开挖数值模拟计算结果的影响分析.施工技 术，2011.01,第40卷增刊7 北京市地方标准.DB 11/995-2013,城市轨道交通工程设计规范8 中华人民共和国国家标准.GB50307-2012,城市轨道交通岩土工程勘察规范北京中国 计划出版社，2012
摩尔库伦和修正摩尔库伦本构有限元模拟结果对比分析
