基于PLAXIS的深基坑支护结构变形分析

秦　鑫

（重庆交通大学河海学院，重庆　400074）

基于PLAXIS的深基坑支护结构变形分析

秦鑫

（重庆交通大学河海学院，重庆400074）

摘要：深基坑开挖支护作为岩土工程的一项基本课题，一直以来是研究的热点和难点。本文以某一实际深基坑开挖工程为研究对象，运用有限元分析软件PLAXIS对深基坑开挖、支护全过程进行模拟分析，研究支护结构的变形情况，发现其水平位移、竖向位移均满足设计要求。

关键词：深基坑；挡土板；变形

1　引言

随着我国经济的快速发展，城市化进程的大步推进，城市建筑的数量和密度逐渐增加，大量的工程建筑及地下工程必然带来大规模的基坑工程。基坑工程作为一个基本的岩土工程课题，在开挖过程中不仅涉及土体自身的强度、稳定及变形，还涉及到土与支护结构之间的相互作用问题。同时基坑开挖过程中工程事故屡见不鲜，在深基坑工程中尤为突出。

本文通过PLAXIS有限元软件，以实际工程为例，分析深基坑支护结构在基坑分层开挖过程中的变形情况。

2　实例分析

2.1本构模型选取

在土的本构模型方面，PLAXIS提供了多种模型，除了摩尔-库仑模型外，还可以选用一种改进的双曲线塑性模型-硬化土模型，为了模拟正常固结软土与时间相关的对数压缩性质，可以选用蠕变模型，即软土蠕变模型。除此之外，PLAXIS还提供了用来分析节理岩石的各项异性行为的节理岩体模型，改进的剑桥模型，软土模型等。考虑到基坑开挖过程中塑性区的产生，本文采用Mohr-Coulomb模型和HS模型来模拟土体的应力应变关系。

2.2基坑参数

本文以实际工程中某一基坑断面为研究对象，该断面设计开挖宽为20m，深度12m。用0.35m厚的混凝土地下连续墙来支撑周围的土体，混凝土的弹性模量为35GP。地下连续墙由2排锚杆支撑，第一排锚杆长16m，倾角53°，施加120KN的预应力，第二排锚杆长14m，倾角45°，施加200KN的预应力，地面工荷载为8KN/m2，距离开挖边界位置2m。

2.3数值模拟模型建立

为方便计算，将实际断面简化：模型设置为平面应变，单元15节点，这一问题可以用一个宽80m、高25m的几何模型来模拟，具体模型见下图1。模型中，采用板单元替代挡土板；锚杆采用点对点锚杆以及土工格栅替代；地下水位在地表以下3m；土层共有三层，从上至下分别为回填土3m、砂土15m、泥岩，自上而下各土层均采用摩尔-库伦模型和土体硬化模型分别进行有限元分析，根据实际工程地质条件，土层具体参数如下：两种计算模型中的材料类型皆为排水的，回填土的水位以上的容重为16KN/m3，水位以下的容重为20KN/m3回填土的水平和竖直渗透系数都为1m/天，砂土的水平和竖直渗透系数都为0.5m/天；回填土和砂土的内摩擦角分别为30º和34º；剪胀角分别为0和4º；界面折减因子分别为0.65和0.75；内聚力分别为C=0，C=1KN/m2。摩尔库伦计算模型中回填土的弹性模量为8000KN/m2砂土的的弹性模量为30000KN/m2，泊松比皆为0.3；土体硬化模型中回填土和砂土的三轴固结排水实验割线模量分别为22000KN/m2和43000KN/m2；卸载—再加载模量分别为66000KN/m2和129000KN/m2。采用三角单元进行网格划分，全局疏密度设置为中等；考虑结构单元拐角处的点可能产生很大的位移梯度，对板单元底部以及土工栅格设置加密线加密，具体网格见图2。

图1　计算模型

图2　网格划分示意图

2.4数值模拟结果及分析

实际工程采用边施工边降水，故模型考虑孔隙水压，采用边施工边降水。考虑到施工开挖实际上是一个多阶段过程，模型总共包括6道工序，首先建造挡土板达到设计深度，为了分布安装锚杆，共分6个施工步开挖土体，开挖过程中，均设置降水施工步，同时为防渗，挡土板与土层接触位置设置防渗界面。

图3为开挖完成后经放大后的网格变形，我们可以看出利用土体硬化模型的算出来的地下连续墙和开挖底部的拱起位移都小于摩尔库伦模型的计算结果，由图4（a）水平位移可看出，挡土板上部水平位移相对较大，下部水平位移相对较小，水平位移最大值为2.908cm，小于设计规定的支护结构最大水平位移为0.5%H6cm，H为基坑深度。

图4（b）为挡板的水平向位移，其大小为25.68mm，满足设计要求。

图3　开挖完成后网格变形

图4　挡土板水平位移

3　结论

深基坑作为较为常见的岩土工程课题，对其设计及施工要格外重视。本文通过对具体深基坑工程断面进行模拟，得出如下结论：（1）Plaxis有限元软件可以正确模拟基坑边降水边施工，模拟结果良好；（2）由于土体卸载性质对开挖有很大的影响，HS模型比摩尔库伦模型可以给出更真实的模拟结果，对于实际工程更加实用。

参考文献：

［1]王江洪，王春波，卢广宁.PLAXIS在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用［J].山西建筑.2007，（第35期）

［2]徐奴文.地铁车站深基坑开挖与支护有限元数值模拟［D]（硕士学位论文）.大连：大连理工大学，2008

［3]付先进，林作忠.基于plaxis的超深基坑开挖弹塑性有限元数值计算与分析［J].中国水运.下半月，2010，（第四期）

［4]王宏.基于PLAXIS的深基坑支护的有限元分析［J].嘉应学院学报，2014，（05期）

作者简介：秦鑫（1992—），男，重庆人，研究方向：岩土工程。