基于PLAXIS的深基坑支護結構變形分析

秦　鑫

（重慶交通大學河海學院，重慶　400074）

基于PLAXIS的深基坑支護結構變形分析

秦鑫

（重慶交通大學河海學院，重慶400074）

摘要：深基坑開挖支護作為巖土工程的一項基本課題，一直以來是研究的熱點和難點。本文以某一實際深基坑開挖工程為研究對象，運用有限元分析軟件PLAXIS對深基坑開挖、支護全過程進行模擬分析，研究支護結構的變形情況，發現其水平位移、豎向位移均滿足設計要求。

關鍵詞：深基坑；擋土板；變形

1　引言

隨著我國經濟的快速發展，城市化進程的大步推進，城市建筑的數量和密度逐漸增加，大量的工程建筑及地下工程必然帶來大規模的基坑工程。基坑工程作為一個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度、穩定及變形，還涉及到土與支護結構之間的相互作用問題。同時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。

本文通過PLAXIS有限元軟件，以實際工程為例，分析深基坑支護結構在基坑分層開挖過程中的變形情況。

2　實例分析

2.1本構模型選取

在土的本構模型方面，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的雙曲線塑性模型-硬化土模型，為了模擬正常固結軟土與時間相關的對數壓縮性質，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理巖石的各項異性行為的節理巖體模型，改進的劍橋模型，軟土模型等。考慮到基坑開挖過程中塑性區的產生，本文采用Mohr-Coulomb模型和HS模型來模擬土體的應力應變關系。

2.2基坑參數

本文以實際工程中某一基坑斷面為研究對象，該斷面設計開挖寬為20m，深度12m。用0.35m厚的混凝土地下連續墻來支撐周圍的土體，混凝土的彈性模量為35GP。地下連續墻由2排錨桿支撐，第一排錨桿長16m，傾角53°，施加120KN的預應力，第二排錨桿長14m，傾角45°，施加200KN的預應力，地面工荷載為8KN/m2，距離開挖邊界位置2m。

2.3數值模擬模型建立

為方便計算，將實際斷面簡化：模型設置為平面應變，單元15節點，這一問題可以用一個寬80m、高25m的幾何模型來模擬，具體模型見下圖1。模型中，采用板單元替代擋土板；錨桿采用點對點錨桿以及土工格柵替代；地下水位在地表以下3m；土層共有三層，從上至下分別為回填土3m、砂土15m、泥巖，自上而下各土層均采用摩爾-庫倫模型和土體硬化模型分別進行有限元分析，根據實際工程地質條件，土層具體參數如下：兩種計算模型中的材料類型皆為排水的，回填土的水位以上的容重為16KN/m3，水位以下的容重為20KN/m3回填土的水平和豎直滲透系數都為1m/天，砂土的水平和豎直滲透系數都為0.5m/天；回填土和砂土的內摩擦角分別為30o和34o；剪脹角分別為0和4o；界面折減因子分別為0.65和0.75；內聚力分別為C=0，C=1KN/m2。摩爾庫倫計算模型中回填土的彈性模量為8000KN/m2砂土的的彈性模量為30000KN/m2，泊松比皆為0.3；土體硬化模型中回填土和砂土的三軸固結排水實驗割線模量分別為22000KN/m2和43000KN/m2；卸載—再加載模量分別為66000KN/m2和129000KN/m2。采用三角單元進行網格劃分，全局疏密度設置為中等；考慮結構單元拐角處的點可能產生很大的位移梯度，對板單元底部以及土工柵格設置加密線加密，具體網格見圖2。

圖1　計算模型

圖2　網格劃分示意圖

2.4數值模擬結果及分析

實際工程采用邊施工邊降水，故模型考慮孔隙水壓，采用邊施工邊降水。考慮到施工開挖實際上是一個多階段過程，模型總共包括6道工序，首先建造擋土板達到設計深度，為了分布安裝錨桿，共分6個施工步開挖土體，開挖過程中，均設置降水施工步，同時為防滲，擋土板與土層接觸位置設置防滲界面。

圖3為開挖完成后經放大后的網格變形，我們可以看出利用土體硬化模型的算出來的地下連續墻和開挖底部的拱起位移都小于摩爾庫倫模型的計算結果，由圖4（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2.908cm，小于設計規定的支護結構最大水平位移為0.5%H6cm，H為基坑深度。

圖4（b）為擋板的水平向位移，其大小為25.68mm，滿足設計要求。

圖3　開挖完成后網格變形

圖4　擋土板水平位移

3　結論

深基坑作為較為常見的巖土工程課題，對其設計及施工要格外重視。本文通過對具體深基坑工程斷面進行模擬，得出如下結論：（1）Plaxis有限元軟件可以正確模擬基坑邊降水邊施工，模擬結果良好；（2）由于土體卸載性質對開挖有很大的影響，HS模型比摩爾庫倫模型可以給出更真實的模擬結果，對于實際工程更加實用。

參考文獻：

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［3]付先進，林作忠.基于plaxis的超深基坑開挖彈塑性有限元數值計算與分析［J].中國水運.下半月，2010，（第四期）

［4]王宏.基于PLAXIS的深基坑支護的有限元分析［J].嘉應學院學報，2014，（05期）

作者簡介：秦鑫（1992—），男，重慶人，研究方向：巖土工程。