基于PLAXIS的某深基坑开挖与土钉支护设计数值模拟

李 勇

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司发电工程分公司，山西 太原 030001)

基于PLAXIS的某深基坑开挖与土钉支护设计数值模拟

李 勇

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司发电工程分公司，山西 太原 030001)

以霍州市某基坑工程为例，运用PLAXIS软件对深基坑开挖与土钉支护设计进行了数值模拟计算，得到了土钉支护条件下基坑变形特征和开挖过程的安全性系数，对类似工程设计和信息化施工的实施有一定的参考价值。

PLAXIS软件，基坑支护，安全系数，数值模拟

1 工程概况及基坑周围环境分析

霍州某发电厂4号运煤皮带自2号转运站起斜向15°连接至3号转运站，为输煤系统的枢纽工程，本次施工部分为4号运煤皮带地下廊道部分。周边地形特征：基坑西侧距离基础边约24 m，为一条原厂区道路，马路标高约11.4 m，比4号廊道自然地坪+6.0 m高5.4 m，马路东侧有原片石挡土墙护坡，马路向西方向长度约16 m；基坑北侧为2号转运站，已开挖至-6 m，且2号转运站开挖时采用钢筋混凝土筒壁支护，2号转运站西侧边坡采用了土钉支护；基坑东侧在卸煤沟开挖时已开挖至约-6.0 m，采用天然放坡即可满足边坡稳定。

2 场地工程地质条件

1)地基土分布情况。根据山西省电力勘测设计院《岩土工程勘测报告F1981S—G0116》得知，4号廊道土质自上而下分布情况分别为：杂填土、泥岩、石灰岩，局部有溶洞及充填物。本基坑开挖深度影响范围内各土层主要物理力学性质指标见表1。

表1 各土层主要物理力学性质指标表

本模型中，土层①：杂填土(0 m～-8 m(-9.5 m))，土层②：泥岩(-8 m～-24 m)，土层③：砂岩(-24.5～-40 )，u= 0.3。

2)地下水条件。开挖时需采取降水措施。对应模型中基坑外侧水标高-14.00 m，基坑内侧降水后水标高-22.00 m。

3 基坑支护方案说明及方案特点

1)边坡支护方案选择。

本基坑西侧不具备放坡条件，临近基坑边无重要建筑物、无深基坑建筑物和地下管线。根据“安全、经济、方便施工”的原则，并考虑到施工工期，决定采用土钉墙支护方案。

2)边坡支护设计。

因基坑开挖深度较深，西侧上部又有荷载，地下水位高，基坑开挖时有滑移的危险，故基坑开挖时西侧边坡采用土钉喷锚支护。竖向与水平间距均1.0 m。基坑西侧支护深度为20.5 m。土钉选用HRB335级钢筋，混凝土面层钢筋网片的钢筋网主筋，即与土钉相交的水平和竖向钢筋均采用2根HRB335级φ20钢筋(双向@1 000)；钢筋网片主筋之间和坑底面层钢筋网片采用HPB235级φ8钢筋、水平间距200 mm、竖向间距200 mm；每个土钉必须与面层钢筋网片焊接牢固。喷射混凝土面层强度等级为C20，混凝土面层厚度100 mm，基坑顶部喷射混凝土水平长度不小于1.0 m。因本工程有地下水存在，在-8.5 m以下，喷射混凝土面层时按水平间距3 m、竖向间距3 m留设一个DN50 PVC管泄水孔，总体呈梅花形状布置。基坑支护典型剖面图如图1所示。

3)降水系统设计。

本工程地理位置东侧紧挨汾河，地下水位高，涌水量大，开挖基坑时必须降低地下水位至基底2 m以下时，方可开挖。根据现场实际施工情况，2号转运站基底比4号廊道最深处低4 m，开挖4号廊道时在基坑两侧修筑临时排水渠，将地下水引入2号转运站内。

4 基坑有限元模拟

本模型采用二维有限元程序PLAXIS 进行数值模拟。土体本构模型采用理想弹塑性模型，强度准则采用摩尔—库仑破坏准则；板单元模拟混凝土面层；格栅单元模拟土钉；Interface单元模拟混凝土面层和土体接触部位的相互作用。模型中界面强度折减因子取为0.7。土体网格采用15节点的三角形单元(2D)，模型尺寸104 m×40 m。建模时边界条件为地下水位位于开挖面以下2 m，左右边界X向位移为0，底部边界X，Y方向位移均为0。工况一考虑地面车辆荷载加载：原厂区道路过重车和施工荷载，施加均布线荷载120 kN/m。工况二不考虑地面车辆加载，仅考虑施工荷载：施加均布线荷载5 kN/m。

在计算过程中较仔细地模拟了其基坑开挖及土钉和护坡面层建造的过程,并用Mohr-Coulomb模式来描述土的应力应变关系以考虑土的软塑性。混凝土护坡面层,厚100 mm,取Ec=2×107kPa,则有EI=1 666 kN·m2,EA=2×106kN(每延米值),注浆孔径为150 mm,取EA=6.47×105kN(每延米值)，对应土钉为3D25。计算步骤为:1)选择重力加载，生成土层初始应力；2)重置位移为0，施加坑边地面荷载120 kN/m(10 kN/m),荷载作用宽度16 m；3)开挖至-2 m深度,设置第一层、第二层土钉及护坡混凝土面层,采用重复步骤开挖共10步开挖到-20 m，第11步开挖到坑底-20.5 m。

模拟结果分析：

1)开挖过程安全性分析。

岩土工程定义的安全系数为结构具有的承载力/承受荷载所需要承载力。不同于通常结构定义的安全系数(极限荷载/工作荷载)。对每一步施工后选择强度折减phi/c法计算。计算结果得到的∑-Msf见表2。

表2 整体安全系数(∑-Msf)与开挖深度关系表

由图2～图5可知，土钉支护大大提高了基坑开挖的安全性。土钉的整体性和刚度导致土体中应力扩散。土钉受拉力后，一方面减少了土钉加固范围内本该由土体承受的剪力，另一方面通过增加剪切面上的正应力提高了土体的抗剪强度，从而导致土体潜在最危险滑动面(连通的塑性区域)的转移，导致土体的稳定性提高了。图4和图5中明显看出本工程潜在滑动面都在土钉加固土体范围外，土钉计算参数选取合适。边坡的破坏形式有三种：a.内部破坏，破坏面穿过加筋土体；b.外部破坏，破坏面未穿过加筋土体；c.混合破坏，既有内部破坏又有外部破坏。正确确定加劲土体潜在破裂面的位置很重要。我国现行规范一般规定0.3H破裂面为简化计算破裂面，图1中的圆弧滑动面(7.074 m)为依据JGJ 120—99建筑基坑支护技术规程计算土钉墙整体稳定性采用的滑动面。《建筑基坑支护技术规程》土钉墙整体稳定性验算公式6.2.1中均未体现出土钉强度与长度以及轴向拉伸刚度等参数对潜在滑动面位置等计算结果的影响。而PALXIS强度折减法能考虑土钉参数的影响。本工程中土钉刚度较大，筋材未被拉断和拔出，加筋土体内部没有失稳，故滑动破裂面在加固土钉外侧，属于外部破坏。按照《建筑基坑支护技术规程》得出滑动面属于内部破坏。通过比较得出，在土钉未被拉断的情况下，计算破裂面取0.3H是否合理有待进一步研究。强度折减法找到的圆弧滑动面更准确些。

有支护工况二条件下，降低土钉的刚度参数EA，对应的安全系数由1.57降到1.49。降低土钉的长度为原来一半，对应的安全系数由1.57降到1.34。有支护工况一条件下，降低土钉的长度为原来的0.7倍，安全系数由1.35变为0.98(见图6，图7)。验证了土钉的参数对土体潜在最危险滑动面位置和安全系数的影响。

2)开挖支护完成后位移及内力分析见图8～图11。

由以上图和分析可以得出：

1)开挖深度20.5 m时，土钉最大轴力59.21 kN/m，算得土钉最大轴力约350 kN。土钉采用HRB335钢筋，设计强度为300 N/mm2，则钢筋面积为350 000/300=1 166 mm2，采用3D25 mm(面积为1 471 mm2)；土钉所受力分布大致是三角形，在接近面层处达到最大，在自由端减小为0。对一定的开挖深度，不同水平土钉的最

大轴力大约相同(即土钉轴力分布图上三角形的面积大约相等)。 2)坑壁最大水平位移为17.67 mm，小于0.3%H，发生在顶部。较大的水平位移发生在边坡顶部和中下部，底部土体水平位移最小。实际施工过程中观察到的水平位移为19 mm，计算值与实测值比较接近，满足规范要求。3)面板最大轴向力136.57 kN/m，面板最大剪力56.66 kN/m，面板最大弯矩24.5 kN·m/m。

5 结语

由数值模拟的结果看出，土钉支护在本基坑开挖中稳定性和变形均满足设计要求。说明对于场地深基坑开挖放坡受到限制的情况下，采用放坡开挖与土钉墙支护结构相结合的支护方案是经济合适的，节约了工程造价，也节省了工期，同时能满足安全要求。

[1] 郑 刚,顾小鲁.高等基础工程学.北京：机械工业出版社,2007.

[2] 龚晓南,宋二祥.基坑工程实例.北京：中国建筑工业出版社,2006.

The numerical simulation of deep foundation pit excavation and soil nailing support design based on PLAXIS

Li Yong

(PowerEngineeringBranch,ShanxiElectricPowerSurveyDesignInstituteLimitedCompany,China’sEnergyConstructionGroup,Taiyuan030001,China)

Taking a excavation engineering in Huozhou as an example, this paper made numerical simulation calculation using PLAXIS software to deep foundation pit excavation and soil nailing support design, gained the safety coefficient of foundation pit deformation characteristic and excavation process under the soil nailing support design, had certain reference value for similar engineering design and informatization construction implementation.

PLAXIS software, foundation support, safety coefficient, numerical simulation

2015-09-13

李 勇(1984- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)33-0085-03

TU463

A