PLAXIS数值模拟在深基坑地连墙支护中的应用

2015-12-02王小洁

城市地质 2015年2期

王小洁

（北京市地质工程公司，北京 100143）

0 引言

随着城市建设的快速发展，高层建筑物的建造、地铁隧道及大型市政设施的施工等呈现出规模越来越大、开挖深度越来越深的特点。基于深基坑工程的复杂性，地下连续墙以其墙体刚度大、整体性强、防渗性能和耐久性好等特点，广泛应用于深基坑支护工程。在基坑开挖过程中，开挖卸载将引起墙体的侧向位移及周边土体和建筑物发生沉降变形，若变形过大将导致坍塌和周边建筑物开裂破坏事故。因此开挖过程中应对土体位移、支护结构内力进行观测。目前，采用数值计算的方法越来越广泛地应用于工程实践中，借助于功能强大的计算软件和高速的计算机，使得人们应用数值分析手段来研究和揭示土体变化机理。

本文采用PLAXIS软件模拟地下连续墙开挖过程中的土层受力及变形特性，为地下连续墙的设计与施工提供参考。

1 PLAXIS软件介绍

PLAXIS是用于岩土工程变形和稳定性分析的有限元分析软件，为了模拟土和岩石的非线性、时间相关性和各向异性的行为，相应的本构模型的建立是必须的。另外由于土是一种多相介质，需要特别的计算方法来对静水和超静水压力进行计算。尽管土体本身的模拟是重要的，但许多工程项目也必定涉及结构构件的模拟和土与结构的相互作用分析(吴忠诚等，2006)。而PLAXIS就包括了所有这些用于分析复杂土工结构的功能。

2 数值模拟分析模型的建立

（1）选用的结构单元

地连墙采用PLAXIS中的板单元。板具有相当的抗弯刚度（或弯曲刚度）和轴向刚度，可以模拟z方向延伸的挡土墙、板、壳体或衬砌的影响。除了刚度参数，还需要定义泊松比、容重和强度参数。

锚杆采用PLAXIS中的点对点锚杆。锚杆为弹簧单元，主要的锚杆性质是轴向刚度EA，对每个锚杆用力的单位输入，而不是平面外方向的单位宽度。要计算单位宽度等效刚度，必须输入平面外距离Lz。在分步施工的计算当中，对锚杆可以施加预应力。在这样的计算里，某个计算步骤的预应力可以直接在锚杆属性窗口里输入。

（2）土体的本构模型

目前在地连墙支护数值模拟分析中，采用的本构模型有：Mohr-Coulomb模型、节理岩石模型、Hardening-Soil模型、软土蠕变模型、软土模型和改进的Cam-Clay模型。

本文土体本构模型采用Hardening-Soil模型，Hardening-Soil模型是一种改进了的模拟岩土行为的模型，对于Hardening-Soil模型来说，采用三个不同的输入刚度可以将土体刚度描述得更为准确：三轴加载刚度E50、三轴卸载刚度Eur和固结仪加载刚度Eoed。

（3）边界条件

根据岩土工程勘察规范中的基坑工程，平面和深度上取2～3倍的基坑深度（丁勇春，2012）。由于模型尺寸足够大，可以认为开挖对模型边界的应力和应变影响较小，故对模型底部采用竖向约束，两侧采用水平约束，顶部自由（丁勇春等，2007）。

（4）建立模型

模型中土体分为5层，从上至下分别为杂填土、粉土、粘性土、中砂和粉土。土体力学性质包括重度、刚度和强度（图1）。

图1 PLAXIS模型

3 现场原位测试

3.1 深基坑工程的概况

基坑长730m，宽175.8m，总开挖面积约12.8万m2。基坑开挖深度18～20m。基坑平面图如图2所示。

3.2 地连墙支护结构监测

（1）周边沉降监测

根据变形观测方案，沉降观测点共布置50个，所有沉降观测点的布设均按规范要求执行。

（2）地连墙顶部水平位移和竖向位移监测

图2 基坑平面图

图3 水平位移图

图4 垂直位移图

图5 地连墙位移图

图6 有效应力图

图7 平均有效应力图

图8 相对剪切应力图

观测点沿地连墙周边布置，间距不大于20m，监测点共布置100个，设置在冠梁上。

（3）深层水平位移监测

根据变形观测方案，深层水平位移采用测斜管，监测点共布置26个。

（4）锚杆内力监测

锚杆拉力监测点每层布置38个，每根杆体上的测试点设置在锚头附近位置。

4 数值模拟结果分析

（1）水平位移特征

为了监测基坑墙顶水平位移和沉降的变化，采用9-9剖地连墙处的位移值进行监测，通过PLAXIS模拟监测结果如图3所示。

观察图3可以发现，地连墙＋预应力锚杆结构的最大水平位移值为17.7mm，发生在基坑的中部，这是由于较厚的杂填土导致上部位移较大。模拟结果非常接近实测值18.2mm，误差为2.7%。

（2）竖向位移特征

观察图4可以发现，该剖面地连墙最大垂直位移为2mm，主要发生在基坑周边堆载的位置，实际监测墙顶沉降值为3mm左右。由于基坑周边实际堆载重量与数值模拟的输入值有出入，造成垂直位移的偏差。

（3）地连墙深层水平位移特征

观察图5可以发现，基坑以下地连墙位移呈倒三角形分布，自上而下最大位移3.4mm，实际监测地连墙深层水平位移3.7mm，模拟结果与实测结果非常接近。

（4）土体应力应变特征

从图6和图7可以发现，在基坑底靠近地连墙的位置和堆载处，主应力相对偏大，说明该位置受力状况比较复杂。图8反应了剪切应力的分布，可见该部位是相对受力薄弱的部位，设计时应引起注意。造成坡脚附近应力比较复杂的原因主要是由于被支护基坑沿着潜在优势滑裂面滑移的趋势，且滑裂面通过基坑底以下一定深度的土体（芮瑞，2008），从而对基坑底靠近坡脚位置的土体产生挤压作用，促使其发生基坑底部隆起变形。因此在地连墙设计时应注意坡脚处的设计。