基于PLAXIS的深基坑支護(hù)的有限元分析

王 宏

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401121)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的大步推進(jìn)，城市建筑的數(shù)量和密度逐漸增加，大量的工程建筑及地下工程必然帶來大規(guī)模的基坑工程.基坑工程作為一個(gè)基本的巖土工程課題，在開挖過程中不僅涉及土體自身的強(qiáng)度、穩(wěn)定及變形，還涉及到土與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用問題.同時(shí)基坑開挖過程中工程事故屢見不鮮，在深基坑工程中尤為突出[1～6].

本文通過PLAXIS有限元軟件，以實(shí)際工程為例，分析深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑分層開挖過程中的變形情況.

1 PLAXIS有限元軟件

1.1 PLAXIS程序介紹

PLAXIS程序是由荷蘭開發(fā)出來的，一套計(jì)算功能強(qiáng)大、運(yùn)算穩(wěn)定、界面友好的巖土工程有限元軟件.它為現(xiàn)在與未來的高科技建筑進(jìn)行復(fù)雜的巖土工程分析提供了專業(yè)的工具.由于PLAXIS程序的不斷完善，其功能強(qiáng)大，可以模擬不同地下水、土層地質(zhì)條件，尤其有專門適用于基坑開挖的模塊.

1.2 本構(gòu)模型選取

在土的本構(gòu)模型方面，PLAXIS 提供了多種模型，除了摩爾-庫侖模型外，還可以選用一種改進(jìn)的雙曲線塑性模型-硬化土模型；為了模擬正常固結(jié)軟土與時(shí)間相關(guān)的對數(shù)壓縮性質(zhì)，可以選用蠕變模型，即軟土蠕變模型.除此之外，PLAXIS還提供了用來分析節(jié)理巖石的各項(xiàng)異性行為的節(jié)理巖體模型，改進(jìn)的劍橋模型，軟土模型等.考慮到基坑開挖過程中塑性區(qū)的產(chǎn)生，本文采用Mohr-Coulomb模型來模擬土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系.

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

沙坪壩鐵路樞紐綜合改造工程位于重慶市沙坪壩區(qū)，北靠沙坪壩商業(yè)核心區(qū)——三峽廣場、華宇大廈和利得爾大廈，南靠沙坪壩火車站，東與重慶八中緊鄰，西鄰翁達(dá)平安大廈.基坑周邊主要道路有北側(cè)站東路、站西路、南側(cè)站南路、從基坑用地中部下穿沙坪壩火車站的天陳路、西側(cè)西連接道以及東側(cè)東連接道，項(xiàng)目區(qū)位示意圖見圖1.

圖1 項(xiàng)目區(qū)位示意圖

2.2 基坑參數(shù)

選取某一典型開挖深基坑斷面，其設(shè)計(jì)基坑深18 m，采用板肋式錨桿擋土墻支護(hù).錨桿長8～19m，錨固段長5～6 m，豎向間距2.5 m，水平間距3 m，由3～6Φ32(HRB400)鋼筋組成，錨桿與水平夾角15°；錨桿與另一側(cè)肋柱形成對拉，肋柱截面尺寸0.4*0.4 m，肋柱嵌入基坑底1.0 m，擋土板厚度0.2 m，嵌入基坑底0.5 m，肋柱、擋土板均采用C35鋼筋混凝土 .

2.3 數(shù)值模擬模型建立

為方便計(jì)算，將實(shí)際斷面簡化.模型設(shè)置為平面應(yīng)變，單元15節(jié)點(diǎn)，具體模型見下圖2.模型中，采用板單元替代擋土板以及肋柱；錨桿采用點(diǎn)對點(diǎn)錨桿以及土工格柵替代；地下水位在地表以下3 m；土層共三次，從上至下分別為回填土、砂巖、泥巖，具體參數(shù)見表1；對整個(gè)模型施加邊界條件，模型底部完全固定，左右兩側(cè)水平方向固定，豎向自由.采用三角單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，全局疏密度設(shè)置為中等；考慮結(jié)構(gòu)單元拐角處的點(diǎn)可能產(chǎn)生很大的位移梯度，對板單元底部以及土工柵格設(shè)置加密線加密，具體網(wǎng)格見圖3.

表1 地層計(jì)算參數(shù)

名稱回填土砂巖泥巖單位材料模型摩爾-庫倫摩爾-庫倫摩爾-庫倫-材料類型排水的排水的排水的-水位以上土體容重19．824．525．5kN/m3水位以下土體容重20．52526kN/m3水平滲透系數(shù)800．40．13m/d豎向滲透系數(shù)800．40．13m/d彈性模量80002960000960000kN/m2泊松比0．20．2520．33-內(nèi)聚力315070kN/m2內(nèi)摩擦角10．5132218°剪脹角000°

2.4 數(shù)值模擬工序設(shè)計(jì)

實(shí)際工程采用邊施工邊降水，故模型考慮孔隙水壓，也采用邊施工邊降水.考慮到施工開挖實(shí)際上是一個(gè)多階段過程，模型總共包括14道工序，首先建造擋土板達(dá)到設(shè)計(jì)深度，為了分布安裝錨桿，共分7個(gè)施工步開挖土體，開挖過程中，均設(shè)置降水施工步；同時(shí)為防滲，擋土板與土層接觸位置設(shè)置防滲界面.具體工序定義如下：第1步激活地面荷載、擋土板；第2部開挖土層至自上而下的第一根錨桿；第3步激活第一根錨桿以及相連的土工格柵并設(shè)置錨桿預(yù)應(yīng)力120 kN；第4部開挖土層至自上而下的第二個(gè)錨桿；第5步激活第二根錨桿以及相連的土工格柵并設(shè)置錨桿預(yù)應(yīng)力120 kN；第6部開挖土體至自上而下的第三根錨桿；第7步激活第三根錨桿以及相連的土工格柵且將地下水位降至相應(yīng)開挖位置；第8～13步重復(fù)第6～7步驟；第14步開挖土體至泥巖土層頂端，并將地下水降至相應(yīng)開挖位置.

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖4為開挖完成后經(jīng)放大后的網(wǎng)格變形，由圖5(a)水平位移可看出，擋土板上部水平位移相對較大，下部水平位移相對較小，水平位移最大值為0.55 mm，小于設(shè)計(jì)規(guī)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.2%H即3.6 mm，H為基坑深度.圖5(b)為擋板的豎向位移，其大小為0.17 mm，遠(yuǎn)小于水平位移以及設(shè)計(jì)規(guī)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大豎向位移0.15%H即2.7 mm，滿足設(shè)計(jì)要求.

圖4 開挖完成后網(wǎng)格變形

a. 水平位移 b.豎向位移圖5 擋土板位移

圖6為基坑開挖完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖.圖6(a)為擋土墻彎矩圖，其最大彎矩為251 kN·m，發(fā)生在擋土墻的中部；圖6(b)為擋土墻剪力圖，其最大剪力為146 kN，作用點(diǎn)在最大彎矩點(diǎn)附近，均發(fā)生在擋土墻中部.

(a)擋土墻彎矩圖 (b)擋土墻剪力圖圖6 擋土墻內(nèi)力圖

3 結(jié)論

深基坑作為較為常見的巖土工程課題，對其設(shè)計(jì)及施工要格外重視.本文通過對具體深基坑工程斷面進(jìn)行模擬，得出如下結(jié)論:

(1)Plaxis有限元軟件可以正確模擬基坑邊降水邊施工的過程，模擬結(jié)果良好；

(2)擋土板的水平位移與豎向位移相比相對較大，但均小于設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形；

(3)擋土墻的最大彎矩和最大剪應(yīng)力均發(fā)生在中部位置.

[1] 王江宏，王春波，盧廣寧. PLAXIS在深基坑開挖與支護(hù)數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].山西建筑，2007,33(35)： 94-95.

[2] 孫鈞，王東棟.地鐵施工變形預(yù)測與控制的智能方法[J].施工技術(shù)，2009,38(1)：3-9.

[3] 宋博，趙福勇. 深基坑地基加固變形計(jì)算與效果評價(jià)[J].結(jié)構(gòu)工程師，2004,20(4)：60-63.

[4] 張如林，徐奴文. 基于PLAXIS的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬[J]. 結(jié)構(gòu)工程師，2010,26(2)：131-136.

[5] 黃嶸，高建軍. 考慮土體壓力隨變形及支撐預(yù)加力修正的支護(hù)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算[J]. 結(jié)構(gòu)工程師，2008,24(1):60-65.

[6] 劉潤，閆玥，閆澍旺. 支撐位置對基坑整體穩(wěn)定性的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，25(1)：174-178.