基于PLAXIS 3D的深基坑支護效果分析

邢江朋，梁東，張敬東，康文獻，陳泰霖，王安明

（1華北水利水電大學，河南鄭州 450046；2河南省地礦建設工程（集團）有限公司，河南鄭州 450071；3河南卓越建設工程有限公司，河南鄭州 450016；4河南水利與環境職業學院，河南鄭州 450008）

0 引言

隨著我國經濟的發展，城市地下空間利用率和利用水平越來越高，城市中的深基坑工程越來越多。城市中心建筑密集，深基坑工程技術要求也越來越高。在基坑工程施工過程中，經常會遇到影響基坑穩定的事件，由于基坑支護工程具有臨時性的特點，因此研究基坑支護的穩定性變化十分重要。本文運用數值模擬和現場監測的方法[1-7]，對基坑工程中遇到基坑加深情況下的基坑變形情況進行了研究。

1 工程概況

該工程位于鄭州市中心地帶，基坑輪廓基本呈矩形，東西長約230m，南北寬約80m。基坑原設計深度為9.02m，在基坑開挖至7.97m時，為增加地下車庫停車位，對該工程地下車庫深度進行調整，因此基坑深度由9.02m加深至14.37m?；颖眰揉徑形宕本用駱牵拇睘榱鶎永鲜酱u混居民樓，一幢為16層鋼筋混凝土材料居民樓?；游鱾瘸誓媳狈较蚺帕杏腥比龑悠胀ńㄖ??；訓|南兩側均為市政道路。工程場地地貌單元所屬為黃河泛濫沖積平原，施工場地地形平坦，基本無起伏，各土層分布及參數見表1。

表1 各土層分布及參數

2 支護設計

2.1 原支護設計

工程原設計開挖深度為9.02m，基坑為二級基坑，采用預應力錨桿加土釘墻支護結構設計，1∶0.3放坡開挖，支護結構詳細設計如圖1所示。

圖1 原基坑支護設計

2.2 變更后支護設計

基坑深度變更后，基坑等級由二級變為一級，新增部分采用雙排微型樁-復合土釘墻支護。設計方案中采用9.5m長雙排微型樁，并新增15m預應力錨桿。錨桿以下部分選用三排長度逐漸遞減的土釘進行支護。變更后基坑整體支護結構設計如圖2所示。

圖2 變更后基坑支護設計

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

本文采用通用巖土有限元計算軟件PLAXIS3D（CE V20版本）建立3D有限元基坑開挖模型。數值模擬時，選取模型的計算邊界大小對計算結果精確度有很大影響。結合眾多案例，根據基坑開挖深度及工程環境特征，選取北面部分基坑進行模擬計算，建立40m×25m×12m規則長方體區塊的計算模型。在土體初始應力平衡后將基坑開挖分為10個工況分步計算：（1）基坑開挖至1.5m，設置第一排土釘；（2）基坑開挖至3m，設置腰梁和第一排預應力錨桿；（3）基坑開挖至4.5m，設置第二排土釘；（4）基坑開挖至6m，設置第二排腰梁和第二排預應力錨桿；（5）基坑開挖至8m，設置第三排土釘；（6）基坑開挖至9m，布置冠梁，打入雙排微型樁，設置腰梁和新增預應力錨桿；（7）基坑開挖至10.5m，設置新增第一排土釘；（8）基坑開挖至12m，設置新增第二排土釘；（9）基坑開挖至13.5m，設置新增第三排土釘；（10）基坑開挖至14.37m，開挖完畢。

模型中土體采用Mohr-Coulomb模型，土體網格采用10節點四面體單元。利用板（plane）單元模擬混凝土面層，混凝土厚度為100mm，選用C20混凝土，彈性模量為2.1GPa，泊松比選用0.25。預應力錨桿分為兩段進行模擬，其中自由段選用點對點 （Nodeto-node）錨桿單元進行模擬，材料類型則為彈性，軸向剛度選用6.5×105kN，錨固段則采用嵌入式樁（Embedded pile）單元進行模擬，灌漿體楊氏模量為 3×107kN/m2，重度為24kN/m3。腰梁和冠梁選用梁（beam）單元模擬。土釘和雙排微型樁都采用嵌入式 樁（Embedded pile）單元進行模擬。模型整體網格劃分和基坑支護結構單元設置如圖3所示。

圖3 模型網格劃分及支護單元布置圖

3.2 結果分析

3.2.1 水平位移分析

整體基坑開挖主要分兩個大階段進行：一個為變更支護設計前，此時現場開挖至8m；另一個為變更設計后基坑開挖完畢。圖4—圖8為數值模擬中基坑從開挖到更改設計前各工況水平位移云圖，圖9—圖13為變更設計后從開挖到結束各工況水平位移云圖。

（1）原支護設計分析階段。在圖4中，基坑放坡開挖1.5m，可以看出土體應力穩定性在開挖過程中遭到破壞，邊坡底部應力狀態變化最為明顯，但整體位移量變化較小；在圖5、圖6中，基坑進一步開挖至4.5m，隨著預應力錨桿的施加，邊坡應力分布出現了明顯的變化，支護結構附近應力與未設置錨桿區域相比變化較小，此時邊坡位移最大達到了0.85mm，位于坡頂往下4m左右；圖7和圖8與現場工程施工情況相對應，開挖至8m處，此后現場施工停止一段時間。可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，邊坡最大水平位移位置也隨之向下移動，這時水平位移最大部分位于基坑6m處，達到2.2mm。

（2）變更支護設計分析階段。圖9中，基坑向下開挖1m，設置冠梁并新增預應力錨桿，可以看出，此時應力變化并不明顯，水平位移為2.5mm；圖10中基坑繼續開挖1.5m，水平位移最大部分繼續向下移動，但并不明顯，此時最大水平位移為3mm；圖11—圖13中，基坑開挖至底部，新增微型樁樁端產生應力集中現象，開挖結束后，可以看出基坑最大水平位移位于9.5m處，達到了4.9mm。基坑最大水平位移位置處于新增預應力錨桿下方，由此可以判斷，此處錨桿設計遏制了水平位移的變化。

圖4 工況1水平位移云圖

圖5 工況2水平位移云圖

圖6 工況3水平位移云圖

圖7 工況4水平位移云圖

圖8 工況5水平位移云圖

圖9 工況6水平位移云圖

圖10 工況7水平位移云圖

圖11 工況8水平位移云圖

圖12 工況9水平位移云圖

圖13 工況10水平位移云圖

3.2.2 坡頂豎向位移分析

在模擬基坑開挖過程中，通過對基坑頂部五個節點的監測，得出了距離坡頂0m、5m、10m、15m和20m處的豎向位移變化曲線，由圖14可以看出基坑開挖過程中基坑頂部豎向位移變化的特征。

（1）在支護設計變更前（工況一至工況五），坡頂豎向位移隨開挖深度的加大，位移不斷增大，坡頂處豎向位移達到6mm，距離坡頂越遠，豎向位移變化越小，距離20m處只有0.4mm。

（2）工況一對應第一排土釘施工，可以看出在第一排土釘施工后，折線斜率變小，豎向位移變化趨勢得到遏制；工況二、工況三和工況四中兩排預應力錨桿施工完畢，折線斜率進一步變小，基坑豎向位移變化進一步得到遏制；直到工況五，此部分原支護設計施工完畢，但施工進度停止，并未開挖到底，并且此時基坑閑置一段時間，可以在圖中看出，此時豎向位移達到最大；

（3）工況六這一階段是支護二次設計的施工階段，支護變為樁錨支護結構，可以看出，此時豎向位移變化規律與上部錨桿混合土釘墻支護時完全不同，坡頂豎向位移開始緩慢變?。浑S著基坑繼續開挖直到開挖結束，基坑頂部豎向位移變化趨于平緩，基本穩定。

圖14 各工況基坑頂部豎向位移曲線圖

4 基坑監測結果與數值模擬結果對比分析

4.1 水平位移分析

根據相關規范要求并結合工程的實際情況，在基坑開挖過程中對水平位移進行了監測。坡頂位移使用光學全站儀進行測量，深層水平位移通過埋設測斜管，使用測量儀器XB338-2型測斜儀進行測量?；釉谑┕み^程中變更支護設計，測斜管并未重新埋設，依舊采用原有11m長測斜管進行測量。

圖15 深層水平位移與時間關系圖

圖15為基坑開挖過程中邊坡水平位移隨時間變化曲線，圖中選取了施工過程中大部分時間節點的現場監測數據?？梢钥闯觯海?）在深度4m和6m處水平位移變化趨勢得到遏制，此處對應了施工過程中預應力錨桿的布置，與數值模擬中變化趨勢基本一致。（2）現場監測數據中，基坑在開挖至8m時，水平位移達到4.3mm，與數值模擬進行對比，變化趨勢基本一致，數值略有差距。（3）基坑在開挖至9m處變更設計，變為了雙排微型樁結合復合土釘墻的設計。可以在位移曲線中看出，更改后新的支護設計起到了明顯作用。（4）在8m和10m處水平位移幾乎相等，且都為最大水平位移，而數值模擬中最大水平位移位于9m處，位移數值也存在部分差距，但整體變形趨勢較為一致。

4.2 頂部豎向位移分析

選取基坑坡頂位移觀測點中各工況結束穩定后的數據與模擬數據進行對比，從圖16中可以看出，模擬數據比實際測量數據最大值要大一些，兩者數據皆在警報值之內。綜合整體數據進行比較，數值模擬與實際監測數據差距不大，且兩者變化趨勢較為一致。

圖16 監測與模擬豎向位移曲線對比圖

5 結論

本文通過對某深基坑支護設計改變前后的數值進行模擬分析，并將數值模擬結果與現場監測結果進行對比，研究了基坑頂部豎向位移和基坑水平位移的變化規律，得出以下結論：

（1）通過PLAXIS 3D有限元軟件對基坑開挖進行模擬，模擬數值和基坑實際監測數值雖有差值存在，但差值較小。并且，在模擬中基坑水平位移和坡頂豎向位移變化趨勢和實際監測曲線趨勢變化相似，驗證了數值模擬研究基坑支護設計的可行性。

（2）在基坑開挖過程中，基坑頂部的豎向位移隨著基坑開挖深度的增加而增加，距離坡頂越遠，則增加程度越小。基坑水平位移隨基坑開挖呈現增長趨勢，但增長速率并非是線性增加。基坑深層水平位移最大位置隨基坑開挖向下移動，但并非移動到基坑最底部，基坑開挖結束后，最大水平位移位置位于基坑下部。

（3）設計變更后增加的樁（雙排微型樁）錨-復合土釘墻支護設計方案合理有效，可為其他類似基坑支護設計提供一定參考。