基于PLAXIS軟件的深基坑變形與內(nèi)力分析

吳建奇，李文彪，肖 波，陳成振

(1.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000;2.江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院，江西贛州 341000;3.景德鎮(zhèn)市建筑設(shè)計(jì)院贛州分院，江西贛州 341000;4.浙江大學(xué)巖土工程研究所，浙江杭州 310027)

1 工程簡介

在基坑變形與內(nèi)力分析中，常用的方法有極限平衡法和彈性抗力法。極限平衡法計(jì)算簡單，主要應(yīng)用于內(nèi)力計(jì)算，但是難以計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。而彈性抗力法可以計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，不能計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)周圍土體的變形[1-7]。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)、土體的位移及內(nèi)力進(jìn)行數(shù)值模擬成為可能[8-11]。通過有限元方法可以分析支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體共同作用時(shí)對(duì)基坑變形的影響，從而使得基坑變形的實(shí)際情況得到反映。

本文以某軟黏土地基地鐵車站深基坑施工為工程實(shí)例，該場地屬于江沖海積平原地貌單元。場地地下水以第四紀(jì)松散類孔隙水為主，淺層地下水屬于孔隙性潛水，儲(chǔ)存于表層填土及粉土、粉砂中，供給來源主要是地表水和大氣降水，地下水位隨季節(jié)性變化，與錢塘江水具有水力聯(lián)系。

本文采用的有限元軟件PLAXIS是由荷蘭的Delft Technical University研制。該程序能夠計(jì)算平面應(yīng)變問題和軸對(duì)稱問題，其強(qiáng)大的功能可以模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，配合比奧固結(jié)理論，模擬軟土地基上的基坑問題，分析固結(jié)過程中的沉降、有效應(yīng)力、側(cè)向位移及超靜孔隙水壓力等問題。

2 PLAXIS軟件分析步驟

2.1 施工過程模擬

本工程基坑開挖過程采用有限元軟件PLAXIS進(jìn)行模擬，采用莫爾—庫侖模型模擬土體單元的本構(gòu)關(guān)系，其支撐采用線彈性模型模擬，作用在地連墻上，采用線彈性模型模擬地連墻的本構(gòu)關(guān)系。為了較好地達(dá)到PLAXIS軟件分析與實(shí)測結(jié)果的吻合，通過對(duì)實(shí)測資料(實(shí)測軸力和地連墻側(cè)向位移變化)的反復(fù)試算來調(diào)整土體的物理力學(xué)指標(biāo)和地連墻剛度。

標(biāo)準(zhǔn)剖面分6步模擬基坑的施工過程，每步計(jì)算過程中同時(shí)考慮了地下水位的變化，即基坑的降水過程。各工況模擬計(jì)算的施工過程見圖1。

圖1 基坑的施工過程

2.2 4-4截面的各工況數(shù)值模擬

4-4剖面為車站基坑端頭井部分，如圖2和圖3所示。開挖寬度為12.2 m，開挖深度17.6 m，采用明挖法邊開挖邊架設(shè)支撐。共有5道支撐，鋼支撐采用φ609 mm厚16 mm的鋼管，支撐間距如圖3所示?？觾?nèi)降水至基坑底部以下，坑外不降水。剖面各工況計(jì)算結(jié)果如下所述。

1)工況1:端頭井處土體開挖至第1道支撐位置，并已布設(shè)第1道支撐。

圖2 基坑平面布置

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)4-4剖面(單位:mm)

由計(jì)算可知:連續(xù)墻水平最大位移值為0.163 mm，地表最大沉降值為11.33×10－6m，第1道支撐軸力為－40.36 kN，如圖4所示。

2)工況2:端頭井處土體開挖至第2道支撐位置，并已布設(shè)第2道支撐。

由計(jì)算可知，連續(xù)墻最大水平位移為1.865 mm，地表最大沉降值為0.256 mm，第1道支撐軸力為－130.68 kN，第2道支撐軸力為－346.58 kN，如圖5所示。

3)工況3:端頭井處土體開挖至第3道支撐底位置，并已布設(shè)第3道支撐。

由計(jì)算可知，最大位移值為4.674 mm，最大沉降值為0.861 mm，第1道支撐軸力為－240.36 kN，第2道支撐軸力為 －430.47 kN，第 3道支撐軸力為－180.61 kN。

圖4 工況1

圖5 工況2

4)工況4:端頭井處土體開挖至第4道支撐底位置，并已布設(shè)第4道支撐。

由計(jì)算可知，最大水平位移為6.328 mm，最大沉降為1.654 mm，第1道支撐軸力為－118.66 kN，第2道支撐軸力為 －316.89 kN，第 3道支撐軸力為－476.35 kN，第4道支撐軸力為－423.56 kN，如圖6所示。

5)工況5:端頭井處土體開挖至第5道支撐底位置，并架設(shè)了第5道支撐。

由計(jì)算可知:最大水平位移8.358 mm，最大沉降2.136 mm，第1道支撐軸力為－103.56 kN，第2道支撐軸力為－324.68 kN，第3道支撐軸力為－543.68 kN，第4道支撐軸力為－506.97 kN，第5道支撐軸力為－880.13 kN，如圖7所示。

圖6 工況4

圖7 工況5

3 結(jié)語

該基坑工程位于飽和淤泥質(zhì)軟土地層中，地下水較豐富，土體強(qiáng)度低，采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采用4～5道φ609 mm鋼管支撐，形成剛度較大的支護(hù)體系。采用PLAXIS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，地下連續(xù)墻位移、地表位移及鋼支撐軸力等均滿足設(shè)計(jì)要求，且整體效果較好。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示:①基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移為基坑開挖深度的0.1% ～0.6%，平均值為0.3%。圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形形態(tài)為深層凸鼓形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部和底部側(cè)向變形較小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移點(diǎn)深度一般位于開挖面以上1.5 m至開挖面以下7 m范圍。②最大地表沉降為開挖深度的0.05% ～0.70%，為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形的0.4～1.0倍。圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形與地表沉降均隨著開挖深度的增加線性增大，開挖至坑底后兩種變形幾乎不再增加。

總之，通過PLAXIS軟件模擬基坑開挖過程，能基本反應(yīng)基坑變形及破壞的規(guī)律，對(duì)以后類似的基坑開挖有一定的指導(dǎo)作用。但在實(shí)際的施工過程中，基坑的變形及支撐軸力的變化受到外界環(huán)境因素影響較大?；又車倪^度堆載、車輛通行、不對(duì)稱堆載都有可能導(dǎo)致基坑周圍地表沉降增大、地下連續(xù)墻位移增加、鋼支撐軸力增大等情況，對(duì)基坑的穩(wěn)定不利。

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