基于PLAXIS的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

秦　鑫

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶　400074）

基于PLAXIS的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

秦鑫

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074）

摘要：深基坑開挖支護(hù)作為巖土工程的一項(xiàng)基本課題，一直以來是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文以某一實(shí)際深基坑開挖工程為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元分析軟件PLAXIS對(duì)深基坑開挖、支護(hù)全過程進(jìn)行模擬分析，研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，發(fā)現(xiàn)其水平位移、豎向位移均滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：深基坑；擋土板；變形

1　引言

隨著我國(guó)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。

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。

2　實(shí)例分析

2.1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(duì)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?？紤]到基坑開挖過程中塑性區(qū)的產(chǎn)生，本文采用Mohr-Coulomb模型和HS模型來模擬土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

2.2基坑參數(shù)

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

2.3數(shù)值模擬模型建立

為方便計(jì)算，將實(shí)際斷面簡(jiǎn)化：模型設(shè)置為平面應(yīng)變，單元15節(jié)點(diǎn)，這一問題可以用一個(gè)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jìn)行有限元分析，根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件，土層具體參數(shù)如下：兩種計(jì)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(shù)都為1m/天，砂土的水平和豎直滲透系數(shù)都為0.5m/天；回填土和砂土的內(nèi)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(nèi)聚力分別為C=0，C=1KN/m2。摩爾庫倫計(jì)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(jié)排水實(shí)驗(yàn)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(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(duì)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2。

圖1　計(jì)算模型

圖2　網(wǎng)格劃分示意圖

2.4數(shù)值模擬結(jié)果及分析

實(shí)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?？紤]到施工開挖實(shí)際上是一個(gè)多階段過程，模型總共包括6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6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。

圖3為開挖完成后經(jīng)放大后的網(wǎng)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(xù)墻和開挖底部的拱起位移都小于摩爾庫倫模型的計(jì)算結(jié)果，由圖4（a）水平位移可看出，擋土板上部水平位移相對(duì)較大，下部水平位移相對(duì)較小，水平位移最大值為2.908cm，小于設(shè)計(jì)規(guī)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.5%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(shè)計(jì)要求。

圖3　開挖完成后網(wǎng)格變形

圖4　擋土板水平位移

3　結(jié)論

深基坑作為較為常見的巖土工程課題，對(duì)其設(shè)計(jì)及施工要格外重視。本文通過對(duì)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，模擬結(jié)果良好；（2）由于土體卸載性質(zhì)對(duì)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(shí)的模擬結(jié)果，對(duì)于實(shí)際工程更加實(shí)用。

參考文獻(xiàn)：

［1]王江洪，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，（第35期）

［2]徐奴文.地鐵車站深基坑開挖與支護(hù)有限元數(shù)值模擬［D]（碩士學(xué)位論文）.大連：大連理工大學(xué)，2008

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［4]王宏.基于PLAXIS的深基坑支護(hù)的有限元分析［J].嘉應(yīng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，（05期）

作者簡(jiǎn)介：秦鑫（1992—），男，重慶人，研究方向：巖土工程。