基于PLAXIS 3D的深基坑支护效果分析

2021-03-05邢江朋梁东张敬东康文献陈泰霖王安明

重庆建筑 2021年2期

邢江朋，梁东，张敬东，康文献，陈泰霖，王安明

（1华北水利水电大学，河南郑州 450046；2河南省地矿建设工程（集团）有限公司，河南郑州 450071；3河南卓越建设工程有限公司，河南郑州 450016；4河南水利与环境职业学院，河南郑州 450008）

0 引言

随着我国经济的发展，城市地下空间利用率和利用水平越来越高，城市中的深基坑工程越来越多。城市中心建筑密集，深基坑工程技术要求也越来越高。在基坑工程施工过程中，经常会遇到影响基坑稳定的事件，由于基坑支护工程具有临时性的特点，因此研究基坑支护的稳定性变化十分重要。本文运用数值模拟和现场监测的方法[1-7]，对基坑工程中遇到基坑加深情况下的基坑变形情况进行了研究。

1 工程概况

该工程位于郑州市中心地带，基坑轮廓基本呈矩形，东西长约230m，南北宽约80m。基坑原设计深度为9.02m，在基坑开挖至7.97m时，为增加地下车库停车位，对该工程地下车库深度进行调整，因此基坑深度由9.02m加深至14.37m。基坑北侧邻近有五幢居民楼，四幢为六层老式砖混居民楼，一幢为16层钢筋混凝土材料居民楼。基坑西侧呈南北方向排列有三幢三层普通建筑物。基坑东南两侧均为市政道路。工程场地地貌单元所属为黄河泛滥冲积平原，施工场地地形平坦，基本无起伏，各土层分布及参数见表1。

表1 各土层分布及参数

2 支护设计

2.1 原支护设计

工程原设计开挖深度为9.02m，基坑为二级基坑，采用预应力锚杆加土钉墙支护结构设计，1∶0.3放坡开挖，支护结构详细设计如图1所示。

图1 原基坑支护设计

2.2 变更后支护设计

基坑深度变更后，基坑等级由二级变为一级，新增部分采用双排微型桩-复合土钉墙支护。设计方案中采用9.5m长双排微型桩，并新增15m预应力锚杆。锚杆以下部分选用三排长度逐渐递减的土钉进行支护。变更后基坑整体支护结构设计如图2所示。

图2 变更后基坑支护设计

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

本文采用通用岩土有限元计算软件PLAXIS3D（CE V20版本）建立3D有限元基坑开挖模型。数值模拟时，选取模型的计算边界大小对计算结果精确度有很大影响。结合众多案例，根据基坑开挖深度及工程环境特征，选取北面部分基坑进行模拟计算，建立40m×25m×12m规则长方体区块的计算模型。在土体初始应力平衡后将基坑开挖分为10个工况分步计算：（1）基坑开挖至1.5m，设置第一排土钉；（2）基坑开挖至3m，设置腰梁和第一排预应力锚杆；（3）基坑开挖至4.5m，设置第二排土钉；（4）基坑开挖至6m，设置第二排腰梁和第二排预应力锚杆；（5）基坑开挖至8m，设置第三排土钉；（6）基坑开挖至9m，布置冠梁，打入双排微型桩，设置腰梁和新增预应力锚杆；（7）基坑开挖至10.5m，设置新增第一排土钉；（8）基坑开挖至12m，设置新增第二排土钉；（9）基坑开挖至13.5m，设置新增第三排土钉；（10）基坑开挖至14.37m，开挖完毕。

模型中土体采用Mohr-Coulomb模型，土体网格采用10节点四面体单元。利用板（plane）单元模拟混凝土面层，混凝土厚度为100mm，选用C20混凝土，弹性模量为2.1GPa，泊松比选用0.25。预应力锚杆分为两段进行模拟，其中自由段选用点对点（Nodeto-node）锚杆单元进行模拟，材料类型则为弹性，轴向刚度选用6.5×105kN，锚固段则采用嵌入式桩（Embedded pile）单元进行模拟，灌浆体杨氏模量为 3×107kN/m2，重度为24kN/m3。腰梁和冠梁选用梁（beam）单元模拟。土钉和双排微型桩都采用嵌入式桩（Embedded pile）单元进行模拟。模型整体网格划分和基坑支护结构单元设置如图3所示。

图3 模型网格划分及支护单元布置图

3.2 结果分析

3.2.1 水平位移分析

整体基坑开挖主要分两个大阶段进行：一个为变更支护设计前，此时现场开挖至8m；另一个为变更设计后基坑开挖完毕。图4—图8为数值模拟中基坑从开挖到更改设计前各工况水平位移云图，图9—图13为变更设计后从开挖到结束各工况水平位移云图。

（1）原支护设计分析阶段。在图4中，基坑放坡开挖1.5m，可以看出土体应力稳定性在开挖过程中遭到破坏，边坡底部应力状态变化最为明显，但整体位移量变化较小；在图5、图6中，基坑进一步开挖至4.5m，随着预应力锚杆的施加，边坡应力分布出现了明显的变化，支护结构附近应力与未设置锚杆区域相比变化较小，此时边坡位移最大达到了0.85mm，位于坡顶往下4m左右；图7和图8与现场工程施工情况相对应，开挖至8m处，此后现场施工停止一段时间。可以看出，随着基坑开挖深度的增加，边坡最大水平位移位置也随之向下移动，这时水平位移最大部分位于基坑6m处，达到2.2mm。

（2）变更支护设计分析阶段。图9中，基坑向下开挖1m，设置冠梁并新增预应力锚杆，可以看出，此时应力变化并不明显，水平位移为2.5mm；图10中基坑继续开挖1.5m，水平位移最大部分继续向下移动，但并不明显，此时最大水平位移为3mm；图11—图13中，基坑开挖至底部，新增微型桩桩端产生应力集中现象，开挖结束后，可以看出基坑最大水平位移位于9.5m处，达到了4.9mm。基坑最大水平位移位置处于新增预应力锚杆下方，由此可以判断，此处锚杆设计遏制了水平位移的变化。

图4 工况1水平位移云图

图5 工况2水平位移云图

图6 工况3水平位移云图

图7 工况4水平位移云图

图8 工况5水平位移云图

图9 工况6水平位移云图

图10 工况7水平位移云图

图11 工况8水平位移云图

图12 工况9水平位移云图

图13 工况10水平位移云图

3.2.2 坡顶竖向位移分析

在模拟基坑开挖过程中，通过对基坑顶部五个节点的监测，得出了距离坡顶0m、5m、10m、15m和20m处的竖向位移变化曲线，由图14可以看出基坑开挖过程中基坑顶部竖向位移变化的特征。

（1）在支护设计变更前（工况一至工况五），坡顶竖向位移随开挖深度的加大，位移不断增大，坡顶处竖向位移达到6mm，距离坡顶越远，竖向位移变化越小，距离20m处只有0.4mm。

（2）工况一对应第一排土钉施工，可以看出在第一排土钉施工后，折线斜率变小，竖向位移变化趋势得到遏制；工况二、工况三和工况四中两排预应力锚杆施工完毕，折线斜率进一步变小，基坑竖向位移变化进一步得到遏制；直到工况五，此部分原支护设计施工完毕，但施工进度停止，并未开挖到底，并且此时基坑闲置一段时间，可以在图中看出，此时竖向位移达到最大；

（3）工况六这一阶段是支护二次设计的施工阶段，支护变为桩锚支护结构，可以看出，此时竖向位移变化规律与上部锚杆混合土钉墙支护时完全不同，坡顶竖向位移开始缓慢变小；随着基坑继续开挖直到开挖结束，基坑顶部竖向位移变化趋于平缓，基本稳定。

图14 各工况基坑顶部竖向位移曲线图

4 基坑监测结果与数值模拟结果对比分析

4.1 水平位移分析

根据相关规范要求并结合工程的实际情况，在基坑开挖过程中对水平位移进行了监测。坡顶位移使用光学全站仪进行测量，深层水平位移通过埋设测斜管，使用测量仪器XB338-2型测斜仪进行测量。基坑在施工过程中变更支护设计，测斜管并未重新埋设，依旧采用原有11m长测斜管进行测量。

图15 深层水平位移与时间关系图

图15为基坑开挖过程中边坡水平位移随时间变化曲线，图中选取了施工过程中大部分时间节点的现场监测数据。可以看出：（1）在深度4m和6m处水平位移变化趋势得到遏制，此处对应了施工过程中预应力锚杆的布置，与数值模拟中变化趋势基本一致。（2）现场监测数据中，基坑在开挖至8m时，水平位移达到4.3mm，与数值模拟进行对比，变化趋势基本一致，数值略有差距。（3）基坑在开挖至9m处变更设计，变为了双排微型桩结合复合土钉墙的设计。可以在位移曲线中看出，更改后新的支护设计起到了明显作用。（4）在8m和10m处水平位移几乎相等，且都为最大水平位移，而数值模拟中最大水平位移位于9m处，位移数值也存在部分差距，但整体变形趋势较为一致。