基于PLAXIS的深基坑开挖基坑加固数值模拟

印长俊，李旭辉

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105)



基于PLAXIS的深基坑开挖基坑加固数值模拟

印长俊，李旭辉

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105)

深基坑基底加固对于控制地表沉降，基底隆起，能起到良好的控制作用,依托长沙市地铁3号线某车站工程，采用PLAXIS有限元分析软件建立了数值分析模型，研究了基坑坑底土体加固对基坑变形的影响，并结合现场监测数据验证了PLAXIS在深基坑开挖中的适用性，在此基础上进一步对加固土厚度与基坑变形的规律进行了总结与分析，结果表明坑底加固能有效的控制基坑的稳定，且加固体厚度在4～6m时对于控制地表沉降与基底隆起效果理想.

深基坑；土体加固；基坑变形；数值分析模型

0　前　言

随着我国人口的持续增长，地下铁道应运而生，而地下铁道面临的一个很重要的问题就是深基坑工程. 在深基坑工程中控制基坑及围护结构变形是一项极其重要的工作，控制不到位可能会引起严重的后果，而基底土体加固可以增强土体的力学性能，对于控制地表沉降，基底隆起，围护结构变形以及基坑的渗漏水能起到良好的控制作用.

朱志祥等[1]通过建立数值分析模型模拟基坑的实际开挖过程对比分析了加固与不加固两种方案下基坑内侧的土压力，围护结构位移，以及地面的沉降得到了通过加固对于减小墙体位移有利，且能有效减小基坑周围构筑物的沉降值以及不均匀沉降的结论；罗战友等[2]以弹性地基梁法为基础建立了基坑的有限元模型，利用得到的模型分析了坑内土体的加固深度及加固程度对围护结构变形的影响，发现围护结构的位移随加固深度及程度的增大而减小，且存在着临界加固深度；黄宏伟等[3]以上海市浦东出入口竖井为背景研究了压密注浆以及旋喷桩加固对围护结构位移的影响得到了两种加固方式对坑底土体力学参数提高幅度基本相同.

本文以长沙市地铁三号线某车站为工程背景，采用了有限元分析软件PLAXIS建立了平面模型，考虑了基坑底部进行了注浆加固，并结合了现场监测数据对该车站基坑的变形及围护结构的变形进行了分析，得到了有益的结论对类似工程提供参考.

1　工程概况

本站基坑埋深16.5～18.8m，车站主体结构长216.5m，标准段宽20m，车站为地下两层.车站顶板覆土厚约3.10～3.35m，设一排中柱，形成横向两层双跨，局部两层三跨的框架结构.根据全线工程筹划，本站南端设盾构始发井，北端设接收井，车站主体采用明挖法施工，围护结构采用地下800mm连续墙+内支撑形式，基坑第一道支撑采用现浇钢筋混凝土支撑，水平间距为9m，支撑在冠梁上.第2～3道支撑采用直径609mm(壁厚t=16mm)的钢管支撑，钢管撑采用双拼，水平间距为4m，基坑内侧底面以下6m深度范围内采用袖阀管注浆加固.

勘察所揭露的地下水水位埋藏深度差异较大，勘察期间测得各钻孔的稳定水位埋深为1.50～9.10m，平均埋深4.81m，水位标高27.07～35.18m，平均标高31.81m，地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，并受季节变化影响.根据长沙市区域地质资料，该区年水位变化幅度为2.00～5.00m.抗浮水位按标高35.7m控制.

标准段围护结构的断面形式及加固形式如图1所示.

图1　基坑支护形式及基底注浆加固形式横剖面图

2　PLAXIS有限元建模

2.1计算模型

本文采用了PLAXIS2D进行了数值模拟，本车站基坑是一个狭长基坑，在宽度方向上工程地质条件差别不大，且几何对称，我们采用基坑宽度的一半进行平面问题的计算，基坑宽度为20m，取其1/2为10m，根据模拟得到的结果以及工程实践经验，模型的计算宽度取3～4开挖深度，计算深度取2～4倍开挖深度，有限元模型的尺寸取为60m×45m.根据施工现场情况考虑施工车辆、机具设备及材料等，地面超载按20kPa计算，约束形式为底部完全固定，左右边界施加水平向约束，模型如图2所示.

图2　计算模型

2.2计算参数

2.2.1土体

根据《长沙市轨道交通3号线一期工程KC-1标段详细勘察阶段XX站(主体结构)岩土工程勘察报告》以及现场试验得到各土层参数如表1所示.

PLAXIS提供了多种本构模型，包括线弹性模型、摩尔—库伦模型、软土模型、土体硬化模型等，按照刘小丽等[3]得出的结论，本文土体及加固体采用土体硬化模型.土体硬化模型同摩尔—库伦模型在描述极限应力状态上都是通过粘聚力，内摩擦角及剪胀角来实现，但是在对于土体刚度的描述上土体硬化模型通过采用三轴加载刚度E50、三轴卸载刚度Eur、固结仪加载刚度Eoed三个不同的输入刚度使得土体刚度的描述更为精确，E50和Eur可分别由式(1)、(2)定义.

(1)

(2)

表1　各土层主要计算参数

注： 表中带*号的均为试验统计结果

2.2.2围护结构

钢筋混凝土连续墙采用线弹性模型用板单元模拟；混凝土内撑和钢支撑都用锚锭杆模拟，具体计算参数如表2所示.

表2　围护和支撑结构计算参数

具体数值模拟工程如下：

(1)建立模型，进行基底加固，形成初始应力场.

(2)激活地下连续墙与地面超载，并给荷载赋值20kPa.

(3)基坑开挖至-2.15m，在-1.65m处施加第一道混凝土支撑.

(4)基坑开挖至-8.85m，在-8.35m处施加第二道钢支撑.

(5)基坑开挖至-13.85m，在-13.55m处施加第三道钢支撑.

(6)基坑开挖至基坑底部设计高程.

3　计算结果和现场实测数据的对比分析

3.1地表沉降

本文计算所选取的断面为车站中心里程处的断面，在车站中心里程处的东西侧地表分别布置了6个地表沉降的观测点，点号分别为A017～A022，A049～A054由于东西两侧的测点位置及监测结果基本一致，在基坑开挖至基坑底面时，我们选取了A017～A022六个测点处的地表沉降监测值与计算值进行了比较，如图3所示.

图3　地表沉降图

3.2基底隆起

在开挖至基坑底面后，在基坑中心里程处布置了13个观测点进行基底隆起量的观测，点号为L040～L052，由于本文数值模拟采用了1/2基坑宽度进行的模拟，所以我们采用了L040～L046七个测点处的监测值和计算值进行了对比分析，如图4所示.

图4　坑底隆起图

由图3可知，地表沉降值呈现一种先增大后减小的趋势，基坑在加固的情况下最大沉降量为23mm左右，基坑开挖至基底时实际最大监测值为20mm左右，两者差别较小且都在控制范围25mm以内，最大沉降值发生的位置与变形分布规律也基本相同， 基坑在未加固情况下的沉降值为30mm，相对于加固方案沉降值增加了30%，可以看出基坑加固对于控制地表沉降有一定的效果.

从图4可知，坑底隆起量随着墙前距离的增加而增大，在坑壁附近明显小于基坑中部，在基坑中部时达到了最大值，在基坑加固方案中坑底最大隆起量达到了24mm左右，较实测值稍小，其分布模式及计算值与现场监测值结果比较相符.在基坑未加固的情况下坑底每个位置的隆起量相对于加固情况下都要大，可以得到基坑加固对于控制基底隆起有很大的作用.

由以上分析可知，通过现场监测数据与数值模拟的对比分析，可以得到PLAXIS能较好的模拟深基坑的开挖，在加固方案与不加固方案的模拟中其计算得到的结果都能比较准确的反映基坑实际的变形，在深基坑工程中有较强的适应性.通过对加固方案与不加固方案的对比分析可以很明显的看出基坑加固对于控制地表沉降，坑底隆起所起的作用.

4　加固体厚度对基坑变形的影响分析

本车站工程采用了6m的加固深度，为研究不同加固深度时地表沉降与坑底隆起量的变化，故在分析中分别采用了2m、4m、6m、8m四种不同的加固深度进行了对比分析，图5、图6为不同加固深度时地表沉降和坑底隆起量的变化规律.

图5　地表沉降图

图6　坑底隆起图

从图5可以看出，随着加固体厚度的增加地表沉降量有一定程度的减小，但是减小的幅度并不是很大，当加固深度从2m增加到4m时，地表沉降量最大值减小幅值为15%，从4m增加到6m时，地表沉降量减小幅值较小，加固厚度继续增加到8m时沉降量变化幅值基本上可以忽略.

从图6可知，加固体厚度的增加对控制基底隆起有明显的作用，当加固体厚度从2m增加到4m时，隆起量减小值最大为8mm，继续将加固厚度增大，当加固深度从4m增加到6m时，隆起量减小值最大为4mm左右，加固体厚度增加到8m时，隆起量的变化不明显.

由以上分析可知，深度在17m左右的基坑进行基底注浆加固，加固体厚度在4～6m时对于控制地表沉降和基底隆起有比较好的效果.

5　结　论

本文依托长沙地铁3号线某车站工程，利用有线元分析软件PLAXIS进行了数值模拟，根据已取得的监测数据进行了对比分析，得到了以下结论：

(1) 通过现场取的监测数据与PLAXIS计算结果进行对比分析，分析结果表明PLAXIS能比较准确的反映基坑实际的变形规律，在深基坑工程中具有较强的适应性.

(2) 通过PLAXIS对基坑加固与不加固两种方案的模拟对比，结果表明了基坑加固能有效的控制地表沉降和基底隆起.

(3) 加固体厚度不同对于控制基坑变形的效果也不同，总体上随着加固体深度的增加抑制作用逐渐加强，且基底隆起量变化随着加固体厚度的不同相对于地表沉降量变化更为敏感.

(4) 深度在17m左右的基坑进行基底加固，加固体厚度在4～6m时对于控制地表沉降和基底隆起效果理想，继续增加加固体深度效果不明显.

[1]朱志祥,刘少炜,刘新荣，傅晏.某地铁车站软土深基坑加固效果研究[J].地下空间与工程学报,2014,10(3):716-720.

[2]罗战友,刘薇,夏建中.基坑内土体加固对围护结构变形的影响分析[J].岩土工程学报,2006,28(增1):1538-1540.

[3]黄宏伟,魏磊,张平云.坑内加固对围护结构侧向位移影响的实测分析[J].大坝观测与土工测试,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

印长俊(1977-)，男，博士，副教授，研究方向：基坑支护与边坡稳定性.

TU472

A

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