PLAXIS數(shù)值模擬在深基坑地連墻支護(hù)中的應(yīng)用

王小潔

（北京市地質(zhì)工程公司，北京 100143）

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，高層建筑物的建造、地鐵隧道及大型市政設(shè)施的施工等呈現(xiàn)出規(guī)模越來(lái)越大、開(kāi)挖深度越來(lái)越深的特點(diǎn)?；谏罨庸こ痰膹?fù)雜性，地下連續(xù)墻以其墻體剛度大、整體性強(qiáng)、防滲性能和耐久性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于深基坑支護(hù)工程。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖卸載將引起墻體的側(cè)向位移及周邊土體和建筑物發(fā)生沉降變形，若變形過(guò)大將導(dǎo)致坍塌和周邊建筑物開(kāi)裂破壞事故。因此開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)對(duì)土體位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行觀測(cè)。目前，采用數(shù)值計(jì)算的方法越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐中，借助于功能強(qiáng)大的計(jì)算軟件和高速的計(jì)算機(jī)，使得人們應(yīng)用數(shù)值分析手段來(lái)研究和揭示土體變化機(jī)理。

本文采用PLAXIS軟件模擬地下連續(xù)墻開(kāi)挖過(guò)程中的土層受力及變形特性，為地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 PLAXIS軟件介紹

PLAXIS是用于巖土工程變形和穩(wěn)定性分析的有限元分析軟件，為了模擬土和巖石的非線性、時(shí)間相關(guān)性和各向異性的行為，相應(yīng)的本構(gòu)模型的建立是必須的。另外由于土是一種多相介質(zhì)，需要特別的計(jì)算方法來(lái)對(duì)靜水和超靜水壓力進(jìn)行計(jì)算。盡管土體本身的模擬是重要的，但許多工程項(xiàng)目也必定涉及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模擬和土與結(jié)構(gòu)的相互作用分析(吳忠誠(chéng)等，2006)。而PLAXIS就包括了所有這些用于分析復(fù)雜土工結(jié)構(gòu)的功能。

2 數(shù)值模擬分析模型的建立

（1）選用的結(jié)構(gòu)單元

地連墻采用PLAXIS中的板單元。板具有相當(dāng)?shù)目箯潉偠龋ɑ驈澢鷦偠龋┖洼S向剛度，可以模擬z方向延伸的擋土墻、板、殼體或襯砌的影響。除了剛度參數(shù)，還需要定義泊松比、容重和強(qiáng)度參數(shù)。

錨桿采用PLAXIS中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿。錨桿為彈簧單元，主要的錨桿性質(zhì)是軸向剛度EA，對(duì)每個(gè)錨桿用力的單位輸入，而不是平面外方向的單位寬度。要計(jì)算單位寬度等效剛度，必須輸入平面外距離Lz。在分步施工的計(jì)算當(dāng)中，對(duì)錨桿可以施加預(yù)應(yīng)力。在這樣的計(jì)算里，某個(gè)計(jì)算步驟的預(yù)應(yīng)力可以直接在錨桿屬性窗口里輸入。

（2）土體的本構(gòu)模型

目前在地連墻支護(hù)數(shù)值模擬分析中，采用的本構(gòu)模型有：Mohr-Coulomb模型、節(jié)理巖石模型、Hardening-Soil模型、軟土蠕變模型、軟土模型和改進(jìn)的Cam-Clay模型。

本文土體本構(gòu)模型采用Hardening-Soil模型，Hardening-Soil模型是一種改進(jìn)了的模擬巖土行為的模型，對(duì)于Hardening-Soil模型來(lái)說(shuō)，采用三個(gè)不同的輸入剛度可以將土體剛度描述得更為準(zhǔn)確：三軸加載剛度E50、三軸卸載剛度Eur和固結(jié)儀加載剛度Eoed。

（3）邊界條件

根據(jù)巖土工程勘察規(guī)范中的基坑工程，平面和深度上取2～3倍的基坑深度（丁勇春，2012）。由于模型尺寸足夠大，可以認(rèn)為開(kāi)挖對(duì)模型邊界的應(yīng)力和應(yīng)變影響較小，故對(duì)模型底部采用豎向約束，兩側(cè)采用水平約束，頂部自由（丁勇春等，2007）。

（4）建立模型

模型中土體分為5層，從上至下分別為雜填土、粉土、粘性土、中砂和粉土。土體力學(xué)性質(zhì)包括重度、剛度和強(qiáng)度（圖1）。

圖1 PLAXIS模型

3 現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試

3.1 深基坑工程的概況

基坑長(zhǎng)730m，寬175.8m，總開(kāi)挖面積約12.8萬(wàn)m2?；娱_(kāi)挖深度18～20m?；悠矫鎴D如圖2所示。

3.2 地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

（1）周邊沉降監(jiān)測(cè)

根據(jù)變形觀測(cè)方案，沉降觀測(cè)點(diǎn)共布置50個(gè)，所有沉降觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)均按規(guī)范要求執(zhí)行。

（2）地連墻頂部水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)

圖2 基坑平面圖

圖3 水平位移圖

圖4 垂直位移圖

圖5 地連墻位移圖

圖6 有效應(yīng)力圖

圖7 平均有效應(yīng)力圖

圖8 相對(duì)剪切應(yīng)力圖

觀測(cè)點(diǎn)沿地連墻周邊布置，間距不大于20m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布置100個(gè)，設(shè)置在冠梁上。

（3）深層水平位移監(jiān)測(cè)

根據(jù)變形觀測(cè)方案，深層水平位移采用測(cè)斜管，監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布置26個(gè)。

（4）錨桿內(nèi)力監(jiān)測(cè)

錨桿拉力監(jiān)測(cè)點(diǎn)每層布置38個(gè)，每根桿體上的測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在錨頭附近位置。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）水平位移特征

為了監(jiān)測(cè)基坑墻頂水平位移和沉降的變化，采用9-9剖地連墻處的位移值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)PLAXIS模擬監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，地連墻＋預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)的最大水平位移值為17.7mm，發(fā)生在基坑的中部，這是由于較厚的雜填土導(dǎo)致上部位移較大。模擬結(jié)果非常接近實(shí)測(cè)值18.2mm，誤差為2.7%。

（2）豎向位移特征

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，該剖面地連墻最大垂直位移為2mm，主要發(fā)生在基坑周邊堆載的位置，實(shí)際監(jiān)測(cè)墻頂沉降值為3mm左右。由于基坑周邊實(shí)際堆載重量與數(shù)值模擬的輸入值有出入，造成垂直位移的偏差。

（3）地連墻深層水平位移特征

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，基坑以下地連墻位移呈倒三角形分布，自上而下最大位移3.4mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)地連墻深層水平位移3.7mm，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近。

（4）土體應(yīng)力應(yīng)變特征

從圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，在基坑底靠近地連墻的位置和堆載處，主應(yīng)力相對(duì)偏大，說(shuō)明該位置受力狀況比較復(fù)雜。圖8反應(yīng)了剪切應(yīng)力的分布，可見(jiàn)該部位是相對(duì)受力薄弱的部位，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起注意。造成坡腳附近應(yīng)力比較復(fù)雜的原因主要是由于被支護(hù)基坑沿著潛在優(yōu)勢(shì)滑裂面滑移的趨勢(shì)，且滑裂面通過(guò)基坑底以下一定深度的土體（芮瑞，2008），從而對(duì)基坑底靠近坡腳位置的土體產(chǎn)生擠壓作用，促使其發(fā)生基坑底部隆起變形。因此在地連墻設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意坡腳處的設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與PLAXIS數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相對(duì)比，二者基本吻合，為PLAXIS在深基坑支護(hù)工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考和依據(jù)。

（2）基坑周邊堆載處和坡腳位置為基坑的薄弱部位，應(yīng)加強(qiáng)該部位的設(shè)計(jì)和施工。

（3）PLAXIS數(shù)值模擬分析方法在取值上與實(shí)際情況存在差異，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)參數(shù)合理取值，得到可供工程借鑒的分析數(shù)據(jù)。

[1]吳忠誠(chéng)，湯連生，廖志強(qiáng)，等.深基坑復(fù)合土釘墻支護(hù)FLAC-3D模擬及大型現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(S1)：1460～1465.

[2]丁勇春，程澤坤，王建華，等.地下連續(xù)墻施工力學(xué)性狀數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012,34(S1)：87～92.

[3]丁勇春，王建華,.褚衍標(biāo)，等.地下連續(xù)墻施工力學(xué)機(jī)理三維數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2007，29(8)：1757～1761.

[4]芮..瑞，夏元友.基于三維有限元的地下連續(xù)墻深基坑逆作法施工方案設(shè)計(jì)[J].巖土力學(xué),2008，30(5):1391～1395.