唐嘯宇，郭文瑋

(1.綿陽南郊機場集團，四川 綿陽 621000； 2.四川省地質(zhì)工程勘察院，成都 610059)

基于PLAXIS的二維深基坑工程模擬

唐嘯宇1，郭文瑋2

(1.綿陽南郊機場集團，四川 綿陽 621000； 2.四川省地質(zhì)工程勘察院，成都 610059)

隨著城市的發(fā)展，深基坑工程廣泛地應用于城市建設(shè)，其相關(guān)前期模擬計算、中期施工控制及后期反饋重要性日益凸現(xiàn)。采用荷蘭PLAXIS B.V.公司開發(fā)的巖土工程數(shù)值模擬軟件，依據(jù)基坑開挖的實際步驟，對基坑開挖臨空面及相關(guān)的支護結(jié)構(gòu)進行了模擬，得到在排樁+錨索支護模式下基坑開挖后的變形以及應力特征，并與現(xiàn)場實際監(jiān)測情況對比，對基坑的開挖控制有一定指導意義。

PLAXIS；深基坑；開挖；支護

0 前言

隨著城市的發(fā)展，市區(qū)用地的緊張，深基坑工程廣泛應用于現(xiàn)階段城市的建設(shè)[1]，但基坑工程尤其是深基坑工程是一項綜合技術(shù)性很強[2]、安全性要求很高的復雜系統(tǒng)工程，它涉及巖土工程、結(jié)構(gòu)工程、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等多學科[3]。現(xiàn)階段，對于深大基坑項目，在未開挖之前要進行反復的驗算，開挖過程中要與數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)進行及時對比，盡早發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的安全隱患，開挖結(jié)束后要實時監(jiān)測其變形特征及對周邊建筑的影響，以保證基坑的安全性，適用性[4]。

1 PLAXIS二維模擬方法

1.1 PLAXIS軟件簡介

PLAXIS 2D/3D數(shù)值模擬軟件程序是由荷蘭著名巖土工程名校代爾夫特大學的研發(fā)人員根據(jù)多年工程經(jīng)驗及市場需求打造的一款功能強大、操作簡單、模型覆蓋全面的巖土數(shù)值模擬有限元計算軟件[5]，自1987年推出以來，受到工程領(lǐng)域的好評，現(xiàn)在已廣泛應用于各類巖土工程項目的數(shù)值分析中，如：大基坑、深基坑與周邊建筑物的相互影響，基坑降水的滲流分析，建筑物在地震荷載作用下的動力變形分析，隧道盾構(gòu)施工作業(yè)與沿線既有建筑的相互影響[6]，大型樁基礎(chǔ)、巖土邊坡開挖及加固后的穩(wěn)定性分析，筏板基礎(chǔ)與相鄰基坑的相互作用，碼頭應力應變分析，水庫水位陡升降對壩體基礎(chǔ)的影響，軟土地基的固結(jié)排水分析[7]等等。PLAXIS巖土工程數(shù)值模擬軟件以其專業(yè)性、高效性、通用性、穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點，得到世界主流巖土工程領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的廣泛認可[8]，已成為數(shù)值分析有限元計算的常用工具[9]。

1.2 彈塑性體的本構(gòu)模型

PLAXIS提供了多種巖土本構(gòu)模型，在基坑的逐步開挖中，巖土體內(nèi)部會自然形成一定范圍塑性區(qū)域[10]，根據(jù)此特性采用摩爾—庫倫模型來對巖土體的本構(gòu)關(guān)系進行模擬。該模型的屈服準則和流動準則如下。

1.2.1 屈服準則

屈服準則用來確定開始出現(xiàn)塑性變形時應力的大小，其一般形式為[11]：

f(σij)=K(k)，

(1)

式中k為材料自身參數(shù)，由工程試驗確定。

摩爾—庫倫屈服準則，表示如下[12]:

τf=c-σtanφ，

(2)

式中：σ為土體正應力，拉伸時為正；c為土體黏聚力；φ為土顆粒內(nèi)摩擦角。

1.2.2 流動準則

塑性應變增量可用塑性位勢函數(shù)g(σij)對應力的微分表示[13]:

(3)

式中dλ是比例常數(shù)。

2 工程實例

2.1 工程簡介

擬建場地工程位于成都市區(qū)，周長約360 m，呈四邊形，開挖深度20 m，綜合考慮基坑工程安全等級為一級。支護方式為：懸臂樁+預應力錨索。平面布置圖如圖1所示。

圖1 某基坑的平面布置圖

場地現(xiàn)各地層的分布及特征由上至下描述如下：

1)雜填土：雜色，較松散，部分成團，稍濕。主要由碎混凝土塊、碎瓦礫及磚塊等建筑垃圾組成，含少量黏性土。該層場地全地段分布，層厚1.8～4.4 m。

2)中密卵石：卵石含量為60%～70%，粒徑一般40～100 mm，最大粒徑大于150 mm，層厚3～5 m。

3)密實卵石：卵石含量為70%以上，粒徑一般40～120 mm，最大粒徑大于150 mm，層厚4～6 m。

4)中風化泥巖：紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，巖芯呈柱狀及長柱狀，裂隙不發(fā)育，巖體較完整。

為了進行合理地模擬計算，現(xiàn)沿基坑邊線位置取一橫剖面作為研究對象進行二維計算。模型采用平面應變，15-節(jié)點單元，幾何尺寸水平方向-80～+80 m，深度0～-50 m，基坑范圍為-50～+50 m，開挖深度0～-20 m，分4次開挖，開挖后設(shè)置4道預應力錨索，開挖深度分別為-4 m、-9 m、-15 m、-20 m，生成模型如圖2所示。

圖2 基坑支護模型

2.2 數(shù)據(jù)輸入與網(wǎng)格生成

根據(jù)上面的工程實例，現(xiàn)在需要設(shè)置巖土體參數(shù)、排樁參數(shù)、錨索參數(shù)，并施加初始應力，生成網(wǎng)格。土層參數(shù)見表1。

因基坑開挖前已進行降水，所以土體未考慮飽和重度及地下水對其的影響。結(jié)構(gòu)體參數(shù)見表2。

表1 巖土體參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)體參數(shù)

模型的初始條件包括邊界條件。為簡化計算，該例規(guī)定邊界為水平固定邊界。模型底部邊界垂直向和水平向都固定。不考慮地下水的影響，初始定義結(jié)果如圖3所示。

2.3 基坑開挖的分步計算

在定義完初始條件后，可以根據(jù)基坑開挖的設(shè)計步驟，進行開挖及錨桿支護的模擬施工。最終可以計算得到支護結(jié)構(gòu)的變形和受力情況以及基坑內(nèi)外土體的變形和應力分布情況。

根據(jù)圖4～5我們可以看到，開挖后基坑變形主要位于坑頂0～4 m的范圍內(nèi)，達到了37.65 mm，理論上超過了GB50497—2009《建筑基坑工程檢測技術(shù)規(guī)范》中I級基坑坡頂水平位移的報警值30 mm，但根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測的反饋，該基坑的水平位移為22 mm，僅達到預警值，建議加強觀測。

圖4 基坑開挖到最后的整體變形網(wǎng)格圖

圖5 開挖后土體變形分布圖

圖6 開挖后應力趨勢圖

根據(jù)圖6，我們可以看到開挖后，在基坑角點處出現(xiàn)明顯的剪應力集中。此外，因基坑的逐步開挖，在基坑邊緣坡頂面的一定范圍內(nèi)，土體中由于自身應力狀態(tài)的調(diào)整，會出現(xiàn)拉應力集中區(qū)，由于土體自身的屬性，抗拉強度比較低，因此很容易發(fā)生拉裂破壞，形成坡后張拉區(qū)，隨著應力釋放及調(diào)整過程，使得拉裂縫垂直向下發(fā)展，若角點處下的剪應力集中區(qū)形成破壞面與張拉區(qū)連接在一起時，基坑便會出現(xiàn)整體的失穩(wěn)。

3 結(jié)語

深基坑工程是一項跨學科的復雜系統(tǒng)工程[14]，從勘察、設(shè)計到施工及監(jiān)測都有極大的風險，并且受諸多不利因素的共同影響[15]，因此開挖之前需要進行反復的驗算，開挖過程中要與數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)進行及時對比，盡早發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的不安全隱患，開挖結(jié)束后要實時監(jiān)測其變形特征及對周邊建筑的影響[16]，以保證基坑工程的安全性、適用性。根據(jù)前面分析及工程實例可以得到如下結(jié)論：

1)通過分析開挖后土體的變形特征，我們可以明顯地看到：主要的變形集中在基坑頂部0～4 m兩側(cè)，最大累計位移達到37 mm，較實際開挖數(shù)據(jù)22 mm有一定的偏差；

2)開挖后土體的應力主要集中在坑底角點兩側(cè)，該區(qū)域受剪應力控制，若屈服變形與上部拉裂區(qū)連接在一起將導致基坑的失穩(wěn)；

3)基坑開挖后由于土體卸荷，土體內(nèi)自身應力進行了適應性調(diào)整，壓應力逐步減少，使得原地基處土體產(chǎn)生彈性效應，同時由于坑外的土體壓力大于坑內(nèi)，導致向坑內(nèi)方向擠壓的作用，使坑內(nèi)土體產(chǎn)生回彈、隆起變形；

4)通過選取適當?shù)臋M截面、巖土體參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，PLAXIS軟件模擬基坑開挖可以達到較高的模擬精度，但是由于選用的M-C土體模型較為簡單及理想化，且并未考慮地下水壓力的影響，一定程度上影響了模擬計算的結(jié)果。

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TheSimulationto2DDeepFoundationPitConstructionBasedonPLAXIS

TANG Xiao-yu，et al.

(MianyangNanjiaoAirportGroup，MianyangSichuan621000，China)

With the development of the city，the deep foundation pit engineering is widely used in urban construction，and its related pre-simulation，medium-term construction control and late feedback are becoming more and more important.In this paper，the numerical simulation software of geotechnical engineering developed by PLAXIS B.V.Company in Netherlands is used to simulate the temporary face and the related supporting structure of the excavation foundation pit according to the actual steps of foundation pit excavation.The deformation and stress characteristics of the deep foundation pit after excavation in the row of pile+anchor support mode have been obtained.Compared with the actual monitoring situation，it is of great significance to the excavation control of the foundation pit.

PLAXIS；deep foundation pit；excavation；support

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.005

2017-09-07

唐嘯宇(1987-)，男(漢)，四川，碩士 主要研究地質(zhì)工程、巖土勘察及地質(zhì)災害治理。

TU473.2

A

1009-8984(2017)03-0022-04