基于PLAXIS的深基坑開挖基坑加固數(shù)值模擬

印長俊，李旭輝

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

?

基于PLAXIS的深基坑開挖基坑加固數(shù)值模擬

印長俊，李旭輝

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

深基坑基底加固對于控制地表沉降，基底隆起，能起到良好的控制作用,依托長沙市地鐵3號線某車站工程，采用PLAXIS有限元分析軟件建立了數(shù)值分析模型，研究了基坑坑底土體加固對基坑變形的影響，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了PLAXIS在深基坑開挖中的適用性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對加固土厚度與基坑變形的規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)與分析，結(jié)果表明坑底加固能有效的控制基坑的穩(wěn)定，且加固體厚度在4～6m時對于控制地表沉降與基底隆起效果理想.

深基坑；土體加固；基坑變形；數(shù)值分析模型

0　前　言

隨著我國人口的持續(xù)增長，地下鐵道應(yīng)運而生，而地下鐵道面臨的一個很重要的問題就是深基坑工程. 在深基坑工程中控制基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形是一項極其重要的工作，控制不到位可能會引起嚴(yán)重的后果，而基底土體加固可以增強土體的力學(xué)性能，對于控制地表沉降，基底隆起，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及基坑的滲漏水能起到良好的控制作用.

朱志祥等[1]通過建立數(shù)值分析模型模擬基坑的實際開挖過程對比分析了加固與不加固兩種方案下基坑內(nèi)側(cè)的土壓力，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移，以及地面的沉降得到了通過加固對于減小墻體位移有利，且能有效減小基坑周圍構(gòu)筑物的沉降值以及不均勻沉降的結(jié)論；羅戰(zhàn)友等[2]以彈性地基梁法為基礎(chǔ)建立了基坑的有限元模型，利用得到的模型分析了坑內(nèi)土體的加固深度及加固程度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移隨加固深度及程度的增大而減小，且存在著臨界加固深度；黃宏偉等[3]以上海市浦東出入口豎井為背景研究了壓密注漿以及旋噴樁加固對圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響得到了兩種加固方式對坑底土體力學(xué)參數(shù)提高幅度基本相同.

本文以長沙市地鐵三號線某車站為工程背景，采用了有限元分析軟件PLAXIS建立了平面模型，考慮了基坑底部進(jìn)行了注漿加固，并結(jié)合了現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對該車站基坑的變形及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了分析，得到了有益的結(jié)論對類似工程提供參考.

1　工程概況

本站基坑埋深16.5～18.8m，車站主體結(jié)構(gòu)長216.5m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20m，車站為地下兩層.車站頂板覆土厚約3.10～3.35m，設(shè)一排中柱，形成橫向兩層雙跨，局部兩層三跨的框架結(jié)構(gòu).根據(jù)全線工程籌劃，本站南端設(shè)盾構(gòu)始發(fā)井，北端設(shè)接收井，車站主體采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下800mm連續(xù)墻+內(nèi)支撐形式，基坑第一道支撐采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐，水平間距為9m，支撐在冠梁上.第2～3道支撐采用直徑609mm(壁厚t=16mm)的鋼管支撐，鋼管撐采用雙拼，水平間距為4m，基坑內(nèi)側(cè)底面以下6m深度范圍內(nèi)采用袖閥管注漿加固.

勘察所揭露的地下水水位埋藏深度差異較大，勘察期間測得各鉆孔的穩(wěn)定水位埋深為1.50～9.10m，平均埋深4.81m，水位標(biāo)高27.07～35.18m，平均標(biāo)高31.81m，地下水位的變化與地下水的賦存、補給及排泄關(guān)系密切，并受季節(jié)變化影響.根據(jù)長沙市區(qū)域地質(zhì)資料，該區(qū)年水位變化幅度為2.00～5.00m.抗浮水位按標(biāo)高35.7m控制.

標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的斷面形式及加固形式如圖1所示.

圖1　基坑支護(hù)形式及基底注漿加固形式橫剖面圖

2　PLAXIS有限元建模

2.1計算模型

本文采用了PLAXIS2D進(jìn)行了數(shù)值模擬，本車站基坑是一個狹長基坑，在寬度方向上工程地質(zhì)條件差別不大，且?guī)缀螌ΨQ，我們采用基坑寬度的一半進(jìn)行平面問題的計算，基坑寬度為20m，取其1/2為10m，根據(jù)模擬得到的結(jié)果以及工程實踐經(jīng)驗，模型的計算寬度取3～4開挖深度，計算深度取2～4倍開挖深度，有限元模型的尺寸取為60m×45m.根據(jù)施工現(xiàn)場情況考慮施工車輛、機具設(shè)備及材料等，地面超載按20kPa計算，約束形式為底部完全固定，左右邊界施加水平向約束，模型如圖2所示.

圖2　計算模型

2.2計算參數(shù)

2.2.1土體

根據(jù)《長沙市軌道交通3號線一期工程KC-1標(biāo)段詳細(xì)勘察階段XX站(主體結(jié)構(gòu))巖土工程勘察報告》以及現(xiàn)場試驗得到各土層參數(shù)如表1所示.

PLAXIS提供了多種本構(gòu)模型，包括線彈性模型、摩爾—庫倫模型、軟土模型、土體硬化模型等，按照劉小麗等[3]得出的結(jié)論，本文土體及加固體采用土體硬化模型.土體硬化模型同摩爾—庫倫模型在描述極限應(yīng)力狀態(tài)上都是通過粘聚力，內(nèi)摩擦角及剪脹角來實現(xiàn)，但是在對于土體剛度的描述上土體硬化模型通過采用三軸加載剛度E50、三軸卸載剛度Eur、固結(jié)儀加載剛度Eoed三個不同的輸入剛度使得土體剛度的描述更為精確，E50和Eur可分別由式(1)、(2)定義.

(1)

(2)

表1　各土層主要計算參數(shù)

注： 表中帶*號的均為試驗統(tǒng)計結(jié)果

2.2.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土連續(xù)墻采用線彈性模型用板單元模擬；混凝土內(nèi)撐和鋼支撐都用錨錠桿模擬，具體計算參數(shù)如表2所示.

表2　圍護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

具體數(shù)值模擬工程如下：

(1)建立模型，進(jìn)行基底加固，形成初始應(yīng)力場.

(2)激活地下連續(xù)墻與地面超載，并給荷載賦值20kPa.

(3)基坑開挖至-2.15m，在-1.65m處施加第一道混凝土支撐.

(4)基坑開挖至-8.85m，在-8.35m處施加第二道鋼支撐.

(5)基坑開挖至-13.85m，在-13.55m處施加第三道鋼支撐.

(6)基坑開挖至基坑底部設(shè)計高程.

3　計算結(jié)果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的對比分析

3.1地表沉降

本文計算所選取的斷面為車站中心里程處的斷面，在車站中心里程處的東西側(cè)地表分別布置了6個地表沉降的觀測點，點號分別為A017～A022，A049～A054由于東西兩側(cè)的測點位置及監(jiān)測結(jié)果基本一致，在基坑開挖至基坑底面時，我們選取了A017～A022六個測點處的地表沉降監(jiān)測值與計算值進(jìn)行了比較，如圖3所示.

圖3　地表沉降圖

3.2基底隆起

在開挖至基坑底面后，在基坑中心里程處布置了13個觀測點進(jìn)行基底隆起量的觀測，點號為L040～L052，由于本文數(shù)值模擬采用了1/2基坑寬度進(jìn)行的模擬，所以我們采用了L040～L046七個測點處的監(jiān)測值和計算值進(jìn)行了對比分析，如圖4所示.

圖4　坑底隆起圖

由圖3可知，地表沉降值呈現(xiàn)一種先增大后減小的趨勢，基坑在加固的情況下最大沉降量為23mm左右，基坑開挖至基底時實際最大監(jiān)測值為20mm左右，兩者差別較小且都在控制范圍25mm以內(nèi)，最大沉降值發(fā)生的位置與變形分布規(guī)律也基本相同， 基坑在未加固情況下的沉降值為30mm，相對于加固方案沉降值增加了30%，可以看出基坑加固對于控制地表沉降有一定的效果.

從圖4可知，坑底隆起量隨著墻前距離的增加而增大，在坑壁附近明顯小于基坑中部，在基坑中部時達(dá)到了最大值，在基坑加固方案中坑底最大隆起量達(dá)到了24mm左右，較實測值稍小，其分布模式及計算值與現(xiàn)場監(jiān)測值結(jié)果比較相符.在基坑未加固的情況下坑底每個位置的隆起量相對于加固情況下都要大，可以得到基坑加固對于控制基底隆起有很大的作用.

由以上分析可知，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的對比分析，可以得到PLAXIS能較好的模擬深基坑的開挖，在加固方案與不加固方案的模擬中其計算得到的結(jié)果都能比較準(zhǔn)確的反映基坑實際的變形，在深基坑工程中有較強的適應(yīng)性.通過對加固方案與不加固方案的對比分析可以很明顯的看出基坑加固對于控制地表沉降，坑底隆起所起的作用.

4　加固體厚度對基坑變形的影響分析

本車站工程采用了6m的加固深度，為研究不同加固深度時地表沉降與坑底隆起量的變化，故在分析中分別采用了2m、4m、6m、8m四種不同的加固深度進(jìn)行了對比分析，圖5、圖6為不同加固深度時地表沉降和坑底隆起量的變化規(guī)律.

圖5　地表沉降圖

圖6　坑底隆起圖

從圖5可以看出，隨著加固體厚度的增加地表沉降量有一定程度的減小，但是減小的幅度并不是很大，當(dāng)加固深度從2m增加到4m時，地表沉降量最大值減小幅值為15%，從4m增加到6m時，地表沉降量減小幅值較小，加固厚度繼續(xù)增加到8m時沉降量變化幅值基本上可以忽略.

從圖6可知，加固體厚度的增加對控制基底隆起有明顯的作用，當(dāng)加固體厚度從2m增加到4m時，隆起量減小值最大為8mm，繼續(xù)將加固厚度增大，當(dāng)加固深度從4m增加到6m時，隆起量減小值最大為4mm左右，加固體厚度增加到8m時，隆起量的變化不明顯.

由以上分析可知，深度在17m左右的基坑進(jìn)行基底注漿加固，加固體厚度在4～6m時對于控制地表沉降和基底隆起有比較好的效果.

5　結(jié)　論

本文依托長沙地鐵3號線某車站工程，利用有線元分析軟件PLAXIS進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)已取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，得到了以下結(jié)論：

(1) 通過現(xiàn)場取的監(jiān)測數(shù)據(jù)與PLAXIS計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果表明PLAXIS能比較準(zhǔn)確的反映基坑實際的變形規(guī)律，在深基坑工程中具有較強的適應(yīng)性.

(2) 通過PLAXIS對基坑加固與不加固兩種方案的模擬對比，結(jié)果表明了基坑加固能有效的控制地表沉降和基底隆起.

(3) 加固體厚度不同對于控制基坑變形的效果也不同，總體上隨著加固體深度的增加抑制作用逐漸加強，且基底隆起量變化隨著加固體厚度的不同相對于地表沉降量變化更為敏感.

(4) 深度在17m左右的基坑進(jìn)行基底加固，加固體厚度在4～6m時對于控制地表沉降和基底隆起效果理想，繼續(xù)增加加固體深度效果不明顯.

[1]朱志祥,劉少煒,劉新榮，傅晏.某地鐵車站軟土深基坑加固效果研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2014,10(3):716-720.

[2]羅戰(zhàn)友,劉薇,夏建中.基坑內(nèi)土體加固對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響分析[J].巖土工程學(xué)報,2006,28(增1):1538-1540.

[3]黃宏偉,魏磊,張平云.坑內(nèi)加固對圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移影響的實測分析[J].大壩觀測與土工測試,2000,24(4):28-30.

(CollegeofCivilEngineeringandMechanics,XiangtanUniversity,Xiangtan411105,China)

NumericalSimulationofPassiveZoneSoilReinforcementinDeep

FoundationPitExcavationBasedonPLAXIS

YINChang-jun,LIXu-hui

Soilreinforcementinthepassivezoneofdeepexcavationisinfavorofcontrollinggroundsettlementandbasementuplift.BasedontheChangshaMetroLine3StationProject,thispaperestablishesbuiltnumericalanalysismodelbyadoptingthefiniteelementanalysissoftwarePLAXIS.Also,soilreinforcementinthepassivezoneofdeepexcavation’simpactondeformationofexcavationisstudied.Moreover,thispapercombinesthesestudieswithfieldmonitoringdatatoverifytheapplicabilityofthePLAXISindiggingexcavation.Onthisbasis,furthersummaryandanalysisofthelawsofreinforcingsoilthicknessandexcavationdeformationisconducted.Theresultsshowthatthesoilreinforcementcaneffectivelycontrolthestabilityoffoundationpit,andtheeffectofaddingsolidthicknessat4～6mtocontrolsurfacesubsidenceandbasementupliftisideal.

deepexcavation；soilreinforcement；deformationofexcavation；numericalanalysismodel

2015-07-06

印長俊(1977-)，男，博士，副教授，研究方向：基坑支護(hù)與邊坡穩(wěn)定性.

TU472

A

1671-119X(2016)01-0071-05