基于PLAXIS的深基坑支护的有限元分析

王 宏

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2.重庆交通建设(集团)有限责任公司，重庆 401121)

0 引言

随着我国经济的快速发展，城市化进程的大步推进，城市建筑的数量和密度逐渐增加，大量的工程建筑及地下工程必然带来大规模的基坑工程.基坑工程作为一个基本的岩土工程课题，在开挖过程中不仅涉及土体自身的强度、稳定及变形，还涉及到土与支护结构之间的相互作用问题.同时基坑开挖过程中工程事故屡见不鲜，在深基坑工程中尤为突出[1～6].

本文通过PLAXIS有限元软件，以实际工程为例，分析深基坑支护结构在基坑分层开挖过程中的变形情况.

1 PLAXIS有限元软件

1.1 PLAXIS程序介绍

PLAXIS程序是由荷兰开发出来的，一套计算功能强大、运算稳定、界面友好的岩土工程有限元软件.它为现在与未来的高科技建筑进行复杂的岩土工程分析提供了专业的工具.由于PLAXIS程序的不断完善，其功能强大，可以模拟不同地下水、土层地质条件，尤其有专门适用于基坑开挖的模块.

1.2 本构模型选取

在土的本构模型方面，PLAXIS 提供了多种模型，除了摩尔-库仑模型外，还可以选用一种改进的双曲线塑性模型-硬化土模型；为了模拟正常固结软土与时间相关的对数压缩性质，可以选用蠕变模型，即软土蠕变模型.除此之外，PLAXIS还提供了用来分析节理岩石的各项异性行为的节理岩体模型，改进的剑桥模型，软土模型等.考虑到基坑开挖过程中塑性区的产生，本文采用Mohr-Coulomb模型来模拟土体的应力应变关系.

2 工程实例分析

2.1 工程概况

沙坪坝铁路枢纽综合改造工程位于重庆市沙坪坝区，北靠沙坪坝商业核心区——三峡广场、华宇大厦和利得尔大厦，南靠沙坪坝火车站，东与重庆八中紧邻，西邻翁达平安大厦.基坑周边主要道路有北侧站东路、站西路、南侧站南路、从基坑用地中部下穿沙坪坝火车站的天陈路、西侧西连接道以及东侧东连接道，项目区位示意图见图1.

图1 项目区位示意图

2.2 基坑参数

选取某一典型开挖深基坑断面，其设计基坑深18 m，采用板肋式锚杆挡土墙支护.锚杆长8～19m，锚固段长5～6 m，竖向间距2.5 m，水平间距3 m，由3～6Φ32(HRB400)钢筋组成，锚杆与水平夹角15°；锚杆与另一侧肋柱形成对拉，肋柱截面尺寸0.4*0.4 m，肋柱嵌入基坑底1.0 m，挡土板厚度0.2 m，嵌入基坑底0.5 m，肋柱、挡土板均采用C35钢筋混凝土 .

2.3 数值模拟模型建立

为方便计算，将实际断面简化.模型设置为平面应变，单元15节点，具体模型见下图2.模型中，采用板单元替代挡土板以及肋柱；锚杆采用点对点锚杆以及土工格栅替代；地下水位在地表以下3 m；土层共三次，从上至下分别为回填土、砂岩、泥岩，具体参数见表1；对整个模型施加边界条件，模型底部完全固定，左右两侧水平方向固定，竖向自由.采用三角单元进行网格划分，全局疏密度设置为中等；考虑结构单元拐角处的点可能产生很大的位移梯度，对板单元底部以及土工栅格设置加密线加密，具体网格见图3.

表1 地层计算参数

名称回填土砂岩泥岩单位材料模型摩尔-库伦摩尔-库伦摩尔-库伦-材料类型排水的排水的排水的-水位以上土体容重19．824．525．5kN/m3水位以下土体容重20．52526kN/m3水平渗透系数800．40．13m/d竖向渗透系数800．40．13m/d弹性模量80002960000960000kN/m2泊松比0．20．2520．33-内聚力315070kN/m2内摩擦角10．5132218°剪胀角000°

2.4 数值模拟工序设计

实际工程采用边施工边降水，故模型考虑孔隙水压，也采用边施工边降水.考虑到施工开挖实际上是一个多阶段过程，模型总共包括14道工序，首先建造挡土板达到设计深度，为了分布安装锚杆，共分7个施工步开挖土体，开挖过程中，均设置降水施工步；同时为防渗，挡土板与土层接触位置设置防渗界面.具体工序定义如下：第1步激活地面荷载、挡土板；第2部开挖土层至自上而下的第一根锚杆；第3步激活第一根锚杆以及相连的土工格栅并设置锚杆预应力120 kN；第4部开挖土层至自上而下的第二个锚杆；第5步激活第二根锚杆以及相连的土工格栅并设置锚杆预应力120 kN；第6部开挖土体至自上而下的第三根锚杆；第7步激活第三根锚杆以及相连的土工格栅且将地下水位降至相应开挖位置；第8～13步重复第6～7步骤；第14步开挖土体至泥岩土层顶端，并将地下水降至相应开挖位置.

2.5 数值模拟结果及分析

图4为开挖完成后经放大后的网格变形，由图5(a)水平位移可看出，挡土板上部水平位移相对较大，下部水平位移相对较小，水平位移最大值为0.55 mm，小于设计规定的支护结构最大水平位移为0.2%H即3.6 mm，H为基坑深度.图5(b)为挡板的竖向位移，其大小为0.17 mm，远小于水平位移以及设计规定的支护结构最大竖向位移0.15%H即2.7 mm，满足设计要求.

图4 开挖完成后网格变形

a. 水平位移 b.竖向位移图5 挡土板位移

图6为基坑开挖完成后，支护结构内力图.图6(a)为挡土墙弯矩图，其最大弯矩为251 kN·m，发生在挡土墙的中部；图6(b)为挡土墙剪力图，其最大剪力为146 kN，作用点在最大弯矩点附近，均发生在挡土墙中部.

(a)挡土墙弯矩图 (b)挡土墙剪力图图6 挡土墙内力图

3 结论

深基坑作为较为常见的岩土工程课题，对其设计及施工要格外重视.本文通过对具体深基坑工程断面进行模拟，得出如下结论:

(1)Plaxis有限元软件可以正确模拟基坑边降水边施工的过程，模拟结果良好；

(2)挡土板的水平位移与竖向位移相比相对较大，但均小于设计支护结构最大变形；

(3)挡土墙的最大弯矩和最大剪应力均发生在中部位置.

[1] 王江宏，王春波，卢广宁. PLAXIS在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用[J].山西建筑，2007,33(35)： 94-95.

[2] 孙钧，王东栋.地铁施工变形预测与控制的智能方法[J].施工技术，2009,38(1)：3-9.

[3] 宋博，赵福勇. 深基坑地基加固变形计算与效果评价[J].结构工程师，2004,20(4)：60-63.

[4] 张如林，徐奴文. 基于PLAXIS的深基坑支护设计的数值模拟[J]. 结构工程师，2010,26(2)：131-136.

[5] 黄嵘，高建军. 考虑土体压力随变形及支撑预加力修正的支护结构分析计算[J]. 结构工程师，2008,24(1):60-65.

[6] 刘润，闫玥，闫澍旺. 支撑位置对基坑整体稳定性的影响[J].岩石力学与工程学报，2005，25(1)：174-178.