数值模拟在深基坑开挖过程中的应用研究

陈德绍 陈琰 孙文凯

文章运用Plaxis2d软件对深基坑开挖过程进行数值模拟计算，并以柳州市桥都小苑深基坑施工过程为例，通过对垂直位移与水平位移的监测数据和数值模拟结果的对比分析，验证了数值分析方法具有较好的模拟精度，值得进一步推广应用。

数值模拟;位移;深基坑;监测

U491-A-46-165-4

0 引言

深基坑在开挖和后期施工过程中，除了需要保证基坑自身的稳定性以外，还要确保基坑周边的建筑物和地下管网不受损坏。如果能对基坑开挖过程中周边位移变形过程进行模拟，提前知道各部位的变形情况，做好应对措施，将大大减少深基坑施工事故。目前针对基坑工程的数值模拟方法虽已被广泛应用，但在工程实际中这部分内容所占据的位置仍较尴尬，因为对数值模拟结果往往缺乏有效的检验手段[1-2]。本文借助柳州市桥都小苑深基坑工程为研究对象，运用Plaxis2d软件对开挖过程进行数值模拟计算，计算基坑在土钉+挂网喷混凝土支护设计方案下的变形情况，进而通过对已有的监测数据和数值模拟结果的对比，进一步验证此种数值分析方法具有较好的模拟精度，值得进一步推广。

1 模型建立

目前大多数学者都认为深基坑工程开挖的影响范围主要是由基坑的平面形状、开挖深度、土质条件和对地下水原始渗流影响程度等因素共同决定，在进行数值模拟时所选取的计算边界大小将对计算结果的精度产生很大的影响[3-4]。众多国内外工程经验表明，基坑工程对周边的影响范围约为开挖深度的3～4倍，影响深度约为开挖深度的2～4倍[5]。根据桥都小苑深基坑的开挖深度和周边工程环境特征，本文选取其中一个剖面进行模拟计算，建立30 m×40 m（深×长）区域的计算模型，将基坑开挖分为7个工况：（1）基坑开挖至0.9 m;（2）基坑开挖至2.3 m;（3）基坑开挖至3.7 m;（4）基坑开挖至5.1 m;（5）基坑开挖至6.5 m;（6）基坑开挖至7.9 m;（7）基坑开挖至9.73 m。

模型中土体网格采用计算精度较大的15节点三角形单元，该单元提供4阶位移插值，数值积分采用12个高斯点（应力点），可以很好地反映研究区各个点的应变情况。利用板单元模拟混凝土面层，混凝土面层参数为2.1 GPa（弹性模量）、0.25（泊松比）、100 mm（厚度）、C20（混凝土等级）、D8@200（配筋），各土层与混凝土面层之间的界面均设定有“虚拟厚度”，其厚度默认值为0.1，在模拟与岩土体之间的相互作用时（介于光滑与完全粗糙之间）通过给界面选取合适的界面强度折减因子（Rinter）的值来模拟。利用土工格栅单元模拟土钉，土钉仅受到轴向拉力作用，不产生抗压和抗弯效应，其轴向刚度EA统一取为2×105 kN/m。

各层岩土体的计算参数参照工程地质报告，土层与混凝土面层之间的强度折减因子按照参考值从第一层开始依次取为0.6、0.6、0.67、0.67、0.8，土钉布置如图1所示，建立好模型后分施工阶段激活各个部件和施工工艺。

2 模擬结果

2.1 各工况水平位移特征

图2～10分别模拟了基坑在开挖施工过程中的水平位移。图11是总位移云图。

（1）开挖一开始，就打破了土层原有的平衡状态，应力重新分布，从而导致位移区迅速集中。可以看到随着开挖的进行，水平方向的位移逐渐增大，位移方向为临空侧，最大位移出现在工况7，位移主要集中在坡面中部深度4～5 m处，为-27.63 mm（向左侧临空面）。

（2）开挖深度加大后，可以看到发生位移部分逐步向后扩散延伸，直至图3中完全贯通。同时可以发现水平位移的总体影响范围多集中在坡面附近，

在距离基坑25 m之外所受影响较小。

（3）在完成分步开挖布置混凝土面层和土钉后，可以看到水平位移在面层和土钉附近发生突变，说明土钉+挂网喷锚支护方式能有效限制土体的侧向变形。

（4）土体的最大位移位置发生在第二层土体中。

（5）原本均布附加荷载左侧是发生正向位移，右侧发生负方向位移（图中向左）。在卸荷回弹量不断增大的情况下，左侧的位移不断被抵消，直至图8中全部转化为负方向的位移。一旦发生较小的负向位移，此时的外加荷载和其正下方的土体的平衡状态被打破，可将其整体视为“助长”了斜坡的水平向变形。

同时模拟了基坑在开挖施工过程中的垂直位移。

由基坑壁表面布置的水平监测截面可知距基坑壁任意位置的沉降值，见图12（图中负值代表沉降）。

（1）地表沉降随着开挖的深度的加大，沉降量也不断增大。

（2）地表沉降的最大值都是位于均布荷载的中心位置，距离基坑侧壁越远，沉降值越小。由于地表浅层为松散填土，且基坑外侧土体对坑底的挤压作用，导致距离基坑壁较远的位置仍有一定的沉降值。

（3）工况7和工况8的位移值基本一致，主要是由于第6排和第7排土钉均在圆砾土中，圆砾土的刚度较大，开挖后回弹量相对较小。

（4）计算剖面中，距基坑壁17.7 m处为地下水管和电信光缆，通过数值模拟可知该处的沉降值范围，有利于对管线的保护和工程项目的顺利开展。

（5）图11展示了工况8条件下，基坑坡面的总位移云图。图13～15为水平位移矢量图、垂直位移矢量图和总位移矢量图。图13中水平位移方向均指向斜坡外侧，其数值大小用垂直坡面方向的长度表示。图14中垂直位移分为指向斜坡内侧垂直向下和指向斜坡外侧垂直向上，其数值大小用垂直于坡面方向的长度表示。总位移即为水平位移和垂直位移的矢量和，从坡顶至坡脚，其数值大小基本均匀，位移方向先是斜向下，逐渐变为斜向上方向。由此可知，坡面的位移量主要是由水平位移决定，坡顶的变形量则主要是由垂直沉降控制。

3 监测结果与数值模拟结果对比分析

结合设计的具体施工进度，整理出桥都小苑基坑工程各步施工的时间节点，由于缺少基坑开挖完成之后的地下水位、荷载以及降雨情况，故模拟数据仅截止于52 d。

由图16可以看出，数值模拟结果与实际监测数据变化趋势较为一致，且累计变形量较为接近。在开始施工后的第52 d，数值模拟得到的坡顶水平位移和垂直位移分别为17.65 mm和13.62 mm，距离剖面最近的监测点p21的水平位移监测在第49 d为25.09 mm，垂直位移监测在51 d为21.57 mm。

图17表明在前期施工时，数值计算结果与实际监测数值基本一致。在21 d后，由于数值模拟构造的环境较为单一，未考虑外界不确定因素的影响，故其沉降值将不断缓慢增大，最终的模拟结果为5.88 mm，但均未超出预警值。

在模拟中，水平位移表现为随着开挖深度的增大，其最大水平位移也在不断增大，且主要集中在开挖面的中部。坡顶的水平位移主要是由于堆载和开挖作用，从堆载外侧向开挖面中部延伸，有逐步贯通的趋势，累计位移值介于剖面左右的监测点p21和p22之间，与实际监测数据一致。基坑底的水平位移波动范围较小，主要是由于侧壁的土体挤压所致。

在模拟中，垂直位移表现为随着开挖深度的增大，坡顶位移向下不断增大，坑底位移向上隆起。仅在堆载作用下，研究区的垂直位移呈对称状分布，由荷载作用段向周围扩展减小。当开挖施工后，由于施工区的卸荷作用，坑底土体向上隆起，斜坡侧壁土体对坑底也產生挤压，导致坡顶向下位移也有不断增大的趋势。坡顶的最大垂直位移为16.95 mm，与实际监测数据较接近。

4 结语

本文以桥都小苑基坑工程为例，借助Plaxis2d软件，对基坑薄弱区剖面进行了施工过程基坑位移分布的数值模拟计算，并结合实际检测数据验证数值计算的准确性。进而通过对已有的监测数据和数值模拟结果的对比，进一步验证此种数值分析方法具有较好的模拟精度，值得进一步推广，用以指导施工，减少深基坑施工事故。相信随着相关科研工作的推进，数值模拟技术正在朝着无限接近现实的情况发展，直至可以再现工程过程。

参考文献：

[1]何 敏.深基坑支护设计及稳定性数值模拟分析[D].贵阳：贵州大学，2008.

[2]陈 源.海口某深基坑支护数值模拟及土体本构模型研究[D].海口：海南大学，2014.

[3]王利民，曾马荪，陈耀光.深基坑工程周围建筑及围护结构的监测分析[J].建筑科学，2000，16（2）：15-24.

[4]赵志俊.基坑开挖对邻近建筑物变形影响数值分析[D].合肥：合肥工业大学，2010.

[5]高尔新，周中一，申金生，等.深基坑复合支护结构均匀设计数值模拟试验初步研究[J].工程建设与设计，2006（3）：40-42.