基于PLAXIS的二维深基坑工程模拟

唐啸宇，郭文玮

(1.绵阳南郊机场集团，四川 绵阳 621000； 2.四川省地质工程勘察院，成都 610059)

基于PLAXIS的二维深基坑工程模拟

唐啸宇1，郭文玮2

(1.绵阳南郊机场集团，四川 绵阳 621000； 2.四川省地质工程勘察院，成都 610059)

随着城市的发展，深基坑工程广泛地应用于城市建设，其相关前期模拟计算、中期施工控制及后期反馈重要性日益凸现。采用荷兰PLAXIS B.V.公司开发的岩土工程数值模拟软件，依据基坑开挖的实际步骤，对基坑开挖临空面及相关的支护结构进行了模拟，得到在排桩+锚索支护模式下基坑开挖后的变形以及应力特征，并与现场实际监测情况对比，对基坑的开挖控制有一定指导意义。

PLAXIS；深基坑；开挖；支护

0 前言

随着城市的发展，市区用地的紧张，深基坑工程广泛应用于现阶段城市的建设[1]，但基坑工程尤其是深基坑工程是一项综合技术性很强[2]、安全性要求很高的复杂系统工程，它涉及岩土工程、结构工程、工程地质、水文地质等多学科[3]。现阶段，对于深大基坑项目，在未开挖之前要进行反复的验算，开挖过程中要与数值模拟的数据进行及时对比，尽早发现可能出现的安全隐患，开挖结束后要实时监测其变形特征及对周边建筑的影响，以保证基坑的安全性，适用性[4]。

1 PLAXIS二维模拟方法

1.1 PLAXIS软件简介

PLAXIS 2D/3D数值模拟软件程序是由荷兰著名岩土工程名校代尔夫特大学的研发人员根据多年工程经验及市场需求打造的一款功能强大、操作简单、模型覆盖全面的岩土数值模拟有限元计算软件[5]，自1987年推出以来，受到工程领域的好评，现在已广泛应用于各类岩土工程项目的数值分析中，如：大基坑、深基坑与周边建筑物的相互影响，基坑降水的渗流分析，建筑物在地震荷载作用下的动力变形分析，隧道盾构施工作业与沿线既有建筑的相互影响[6]，大型桩基础、岩土边坡开挖及加固后的稳定性分析，筏板基础与相邻基坑的相互作用，码头应力应变分析，水库水位陡升降对坝体基础的影响，软土地基的固结排水分析[7]等等。PLAXIS岩土工程数值模拟软件以其专业性、高效性、通用性、稳定性等诸多优点，得到世界主流岩土工程领域专业人士的广泛认可[8]，已成为数值分析有限元计算的常用工具[9]。

1.2 弹塑性体的本构模型

PLAXIS提供了多种岩土本构模型，在基坑的逐步开挖中，岩土体内部会自然形成一定范围塑性区域[10]，根据此特性采用摩尔—库伦模型来对岩土体的本构关系进行模拟。该模型的屈服准则和流动准则如下。

1.2.1 屈服准则

屈服准则用来确定开始出现塑性变形时应力的大小，其一般形式为[11]：

f(σij)=K(k)，

(1)

式中k为材料自身参数，由工程试验确定。

摩尔—库伦屈服准则，表示如下[12]:

τf=c-σtanφ，

(2)

式中：σ为土体正应力，拉伸时为正；c为土体黏聚力；φ为土颗粒内摩擦角。

1.2.2 流动准则

塑性应变增量可用塑性位势函数g(σij)对应力的微分表示[13]:

(3)

式中dλ是比例常数。

2 工程实例

2.1 工程简介

拟建场地工程位于成都市区，周长约360 m，呈四边形，开挖深度20 m，综合考虑基坑工程安全等级为一级。支护方式为：悬臂桩+预应力锚索。平面布置图如图1所示。

图1 某基坑的平面布置图

场地现各地层的分布及特征由上至下描述如下：

1)杂填土：杂色，较松散，部分成团，稍湿。主要由碎混凝土块、碎瓦砾及砖块等建筑垃圾组成，含少量黏性土。该层场地全地段分布，层厚1.8～4.4 m。

2)中密卵石：卵石含量为60%～70%，粒径一般40～100 mm，最大粒径大于150 mm，层厚3～5 m。

3)密实卵石：卵石含量为70%以上，粒径一般40～120 mm，最大粒径大于150 mm，层厚4～6 m。

4)中风化泥岩：紫红色，泥质结构，块状构造，泥质胶结，岩芯呈柱状及长柱状，裂隙不发育，岩体较完整。

为了进行合理地模拟计算，现沿基坑边线位置取一横剖面作为研究对象进行二维计算。模型采用平面应变，15-节点单元，几何尺寸水平方向-80～+80 m，深度0～-50 m，基坑范围为-50～+50 m，开挖深度0～-20 m，分4次开挖，开挖后设置4道预应力锚索，开挖深度分别为-4 m、-9 m、-15 m、-20 m，生成模型如图2所示。

图2 基坑支护模型

2.2 数据输入与网格生成

根据上面的工程实例，现在需要设置岩土体参数、排桩参数、锚索参数，并施加初始应力，生成网格。土层参数见表1。

因基坑开挖前已进行降水，所以土体未考虑饱和重度及地下水对其的影响。结构体参数见表2。

表1 岩土体参数

表2 结构体参数

模型的初始条件包括边界条件。为简化计算，该例规定边界为水平固定边界。模型底部边界垂直向和水平向都固定。不考虑地下水的影响，初始定义结果如图3所示。

2.3 基坑开挖的分步计算

在定义完初始条件后，可以根据基坑开挖的设计步骤，进行开挖及锚杆支护的模拟施工。最终可以计算得到支护结构的变形和受力情况以及基坑内外土体的变形和应力分布情况。

根据图4～5我们可以看到，开挖后基坑变形主要位于坑顶0～4 m的范围内，达到了37.65 mm，理论上超过了GB50497—2009《建筑基坑工程检测技术规范》中I级基坑坡顶水平位移的报警值30 mm，但根据现场实际监测的反馈，该基坑的水平位移为22 mm，仅达到预警值，建议加强观测。

图4 基坑开挖到最后的整体变形网格图

图5 开挖后土体变形分布图

图6 开挖后应力趋势图

根据图6，我们可以看到开挖后，在基坑角点处出现明显的剪应力集中。此外，因基坑的逐步开挖，在基坑边缘坡顶面的一定范围内，土体中由于自身应力状态的调整，会出现拉应力集中区，由于土体自身的属性，抗拉强度比较低，因此很容易发生拉裂破坏，形成坡后张拉区，随着应力释放及调整过程，使得拉裂缝垂直向下发展，若角点处下的剪应力集中区形成破坏面与张拉区连接在一起时，基坑便会出现整体的失稳。

3 结语

深基坑工程是一项跨学科的复杂系统工程[14]，从勘察、设计到施工及监测都有极大的风险，并且受诸多不利因素的共同影响[15]，因此开挖之前需要进行反复的验算，开挖过程中要与数值模拟的数据进行及时对比，尽早发现可能出现的不安全隐患，开挖结束后要实时监测其变形特征及对周边建筑的影响[16]，以保证基坑工程的安全性、适用性。根据前面分析及工程实例可以得到如下结论：

1)通过分析开挖后土体的变形特征，我们可以明显地看到：主要的变形集中在基坑顶部0～4 m两侧，最大累计位移达到37 mm，较实际开挖数据22 mm有一定的偏差；

2)开挖后土体的应力主要集中在坑底角点两侧，该区域受剪应力控制，若屈服变形与上部拉裂区连接在一起将导致基坑的失稳；

3)基坑开挖后由于土体卸荷，土体内自身应力进行了适应性调整，压应力逐步减少，使得原地基处土体产生弹性效应，同时由于坑外的土体压力大于坑内，导致向坑内方向挤压的作用，使坑内土体产生回弹、隆起变形；

4)通过选取适当的横截面、岩土体参数及结构参数，PLAXIS软件模拟基坑开挖可以达到较高的模拟精度，但是由于选用的M-C土体模型较为简单及理想化，且并未考虑地下水压力的影响，一定程度上影响了模拟计算的结果。

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TheSimulationto2DDeepFoundationPitConstructionBasedonPLAXIS

TANG Xiao-yu，et al.

(MianyangNanjiaoAirportGroup，MianyangSichuan621000，China)

With the development of the city，the deep foundation pit engineering is widely used in urban construction，and its related pre-simulation，medium-term construction control and late feedback are becoming more and more important.In this paper，the numerical simulation software of geotechnical engineering developed by PLAXIS B.V.Company in Netherlands is used to simulate the temporary face and the related supporting structure of the excavation foundation pit according to the actual steps of foundation pit excavation.The deformation and stress characteristics of the deep foundation pit after excavation in the row of pile+anchor support mode have been obtained.Compared with the actual monitoring situation，it is of great significance to the excavation control of the foundation pit.

PLAXIS；deep foundation pit；excavation；support

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.005

2017-09-07

唐啸宇(1987-)，男(汉)，四川，硕士 主要研究地质工程、岩土勘察及地质灾害治理。

TU473.2

A

1009-8984(2017)03-0022-04