王 宏

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2.重慶交通建設(集團)有限責任公司，重慶 401121)

0 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，城市化進程的大步推進，城市建筑的數量和密度逐漸增加，大量的工程建筑及地下工程必然帶來大規(guī)模的基坑工程.基坑工程作為一個基本的巖土工程課題，在開挖過程中不僅涉及土體自身的強度、穩(wěn)定及變形，還涉及到土與支護結構之間的相互作用問題.同時基坑開挖過程中工程事故屢見不鮮，在深基坑工程中尤為突出[1～6].

本文通過PLAXIS有限元軟件，以實際工程為例，分析深基坑支護結構在基坑分層開挖過程中的變形情況.

1 PLAXIS有限元軟件

1.1 PLAXIS程序介紹

PLAXIS程序是由荷蘭開發(fā)出來的，一套計算功能強大、運算穩(wěn)定、界面友好的巖土工程有限元軟件.它為現在與未來的高科技建筑進行復雜的巖土工程分析提供了專業(yè)的工具.由于PLAXIS程序的不斷完善，其功能強大，可以模擬不同地下水、土層地質條件，尤其有專門適用于基坑開挖的模塊.

1.2 本構模型選取

在土的本構模型方面，PLAXIS 提供了多種模型，除了摩爾-庫侖模型外，還可以選用一種改進的雙曲線塑性模型-硬化土模型；為了模擬正常固結軟土與時間相關的對數壓縮性質，可以選用蠕變模型，即軟土蠕變模型.除此之外，PLAXIS還提供了用來分析節(jié)理巖石的各項異性行為的節(jié)理巖體模型，改進的劍橋模型，軟土模型等.考慮到基坑開挖過程中塑性區(qū)的產生，本文采用Mohr-Coulomb模型來模擬土體的應力應變關系.

2 工程實例分析

2.1 工程概況

沙坪壩鐵路樞紐綜合改造工程位于重慶市沙坪壩區(qū)，北靠沙坪壩商業(yè)核心區(qū)——三峽廣場、華宇大廈和利得爾大廈，南靠沙坪壩火車站，東與重慶八中緊鄰，西鄰翁達平安大廈.基坑周邊主要道路有北側站東路、站西路、南側站南路、從基坑用地中部下穿沙坪壩火車站的天陳路、西側西連接道以及東側東連接道，項目區(qū)位示意圖見圖1.

圖1 項目區(qū)位示意圖

2.2 基坑參數

選取某一典型開挖深基坑斷面，其設計基坑深18 m，采用板肋式錨桿擋土墻支護.錨桿長8～19m，錨固段長5～6 m，豎向間距2.5 m，水平間距3 m，由3～6Φ32(HRB400)鋼筋組成，錨桿與水平夾角15°；錨桿與另一側肋柱形成對拉，肋柱截面尺寸0.4*0.4 m，肋柱嵌入基坑底1.0 m，擋土板厚度0.2 m，嵌入基坑底0.5 m，肋柱、擋土板均采用C35鋼筋混凝土 .

2.3 數值模擬模型建立

為方便計算，將實際斷面簡化.模型設置為平面應變，單元15節(jié)點，具體模型見下圖2.模型中，采用板單元替代擋土板以及肋柱；錨桿采用點對點錨桿以及土工格柵替代；地下水位在地表以下3 m；土層共三次，從上至下分別為回填土、砂巖、泥巖，具體參數見表1；對整個模型施加邊界條件，模型底部完全固定，左右兩側水平方向固定，豎向自由.采用三角單元進行網格劃分，全局疏密度設置為中等；考慮結構單元拐角處的點可能產生很大的位移梯度，對板單元底部以及土工柵格設置加密線加密，具體網格見圖3.

表1 地層計算參數

名稱回填土砂巖泥巖單位材料模型摩爾-庫倫摩爾-庫倫摩爾-庫倫-材料類型排水的排水的排水的-水位以上土體容重19．824．525．5kN/m3水位以下土體容重20．52526kN/m3水平滲透系數800．40．13m/d豎向滲透系數800．40．13m/d彈性模量80002960000960000kN/m2泊松比0．20．2520．33-內聚力315070kN/m2內摩擦角10．5132218°剪脹角000°

2.4 數值模擬工序設計

實際工程采用邊施工邊降水，故模型考慮孔隙水壓，也采用邊施工邊降水.考慮到施工開挖實際上是一個多階段過程，模型總共包括14道工序，首先建造擋土板達到設計深度，為了分布安裝錨桿，共分7個施工步開挖土體，開挖過程中，均設置降水施工步；同時為防滲，擋土板與土層接觸位置設置防滲界面.具體工序定義如下：第1步激活地面荷載、擋土板；第2部開挖土層至自上而下的第一根錨桿；第3步激活第一根錨桿以及相連的土工格柵并設置錨桿預應力120 kN；第4部開挖土層至自上而下的第二個錨桿；第5步激活第二根錨桿以及相連的土工格柵并設置錨桿預應力120 kN；第6部開挖土體至自上而下的第三根錨桿；第7步激活第三根錨桿以及相連的土工格柵且將地下水位降至相應開挖位置；第8～13步重復第6～7步驟；第14步開挖土體至泥巖土層頂端，并將地下水降至相應開挖位置.

2.5 數值模擬結果及分析

圖4為開挖完成后經放大后的網格變形，由圖5(a)水平位移可看出，擋土板上部水平位移相對較大，下部水平位移相對較小，水平位移最大值為0.55 mm，小于設計規(guī)定的支護結構最大水平位移為0.2%H即3.6 mm，H為基坑深度.圖5(b)為擋板的豎向位移，其大小為0.17 mm，遠小于水平位移以及設計規(guī)定的支護結構最大豎向位移0.15%H即2.7 mm，滿足設計要求.

圖4 開挖完成后網格變形

a. 水平位移 b.豎向位移圖5 擋土板位移

圖6為基坑開挖完成后，支護結構內力圖.圖6(a)為擋土墻彎矩圖，其最大彎矩為251 kN·m，發(fā)生在擋土墻的中部；圖6(b)為擋土墻剪力圖，其最大剪力為146 kN，作用點在最大彎矩點附近，均發(fā)生在擋土墻中部.

(a)擋土墻彎矩圖 (b)擋土墻剪力圖圖6 擋土墻內力圖

3 結論

深基坑作為較為常見的巖土工程課題，對其設計及施工要格外重視.本文通過對具體深基坑工程斷面進行模擬，得出如下結論:

(1)Plaxis有限元軟件可以正確模擬基坑邊降水邊施工的過程，模擬結果良好；

(2)擋土板的水平位移與豎向位移相比相對較大，但均小于設計支護結構最大變形；

(3)擋土墻的最大彎矩和最大剪應力均發(fā)生在中部位置.

[1] 王江宏，王春波，盧廣寧. PLAXIS在深基坑開挖與支護數值模擬中的應用[J].山西建筑，2007,33(35)： 94-95.

[2] 孫鈞，王東棟.地鐵施工變形預測與控制的智能方法[J].施工技術，2009,38(1)：3-9.

[3] 宋博，趙福勇. 深基坑地基加固變形計算與效果評價[J].結構工程師，2004,20(4)：60-63.

[4] 張如林，徐奴文. 基于PLAXIS的深基坑支護設計的數值模擬[J]. 結構工程師，2010,26(2)：131-136.

[5] 黃嶸，高建軍. 考慮土體壓力隨變形及支撐預加力修正的支護結構分析計算[J]. 結構工程師，2008,24(1):60-65.

[6] 劉潤，閆玥，閆澍旺. 支撐位置對基坑整體穩(wěn)定性的影響[J].巖石力學與工程學報，2005，25(1)：174-178.