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1 工程概況

莆田萬達廣場總用地面積93 300 m2，總建筑面積約50 800 m2。本工程基坑分為大商業(yè)區(qū)和住宅樓區(qū)2個相對獨立的基坑，2個基坑通過中間寬18 m的土體隔開，大商業(yè)區(qū)基坑面積42 000 m2，周長1 020 m，深11.0～18.0 m，住宅樓區(qū)基坑面積32 000 m2，周長920 m，深9.4～17.4 m。

2 基坑工程支護形式

根據(jù)該場地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、周邊環(huán)境、場地現(xiàn)狀等條件，采用灌注樁、旋噴樁、預(yù)應(yīng)力錨桿、土釘墻等支護形式，具體如下：

1）在大商業(yè)區(qū)的東側(cè)、西側(cè)和北側(cè)，開挖深度較大，為9～18 m，采用灌注樁結(jié)合1～2道預(yù)應(yīng)力錨索的支護方式，上部按1∶0.4放坡并采用土釘墻支護。

2）除了住宅樓區(qū)的北側(cè)外，其他側(cè)開挖深度相對較淺，為8～9 m，采用單支點排樁的支護方式，上部按1∶0.4放坡噴錨。

3）在大商業(yè)區(qū)基坑與住宅區(qū)基坑之間的窄長形土條部分（距離約為18 m），采用兩側(cè)PHC管樁、冠梁+拉筋的支護方式。

本文以工程最深處的大商業(yè)區(qū)采用灌注樁+2道預(yù)應(yīng)力錨索的支護段作為研究對象，灌注樁為φ1 000 mm＠1 500 mm ，預(yù)應(yīng)力錨桿為φ25＠1 300 mm的一級精軋螺紋鋼。

3 模擬分析

借助有限元分析軟件PLAXIS，對基坑開挖期間土體隨基坑開挖深度的變形進行分析，對最大位移點發(fā)生的位置變化的趨勢等作出一般規(guī)律性的總結(jié)，這些理論性的研究對以后基坑支護體系的選型、計算和施工有一定的借鑒作用[1,2]。

3.1 PLAXIS有限元程序簡介

PLAXIS是1種有限元計算軟件，通過建立模型，可以對巖土工程中單元體的變形和穩(wěn)定性進行分析。它可以通過構(gòu)造先進的模型來模擬土壤的非線性和時間依賴行為，也可以處理土壤中流體靜力學(xué)和非流體靜力學(xué)氣孔壓力，該程序應(yīng)用性強、界面友好、建模簡單、方便直觀、計算功能強大，能自動進行網(wǎng)格剖分，重要部位網(wǎng)格可以細分，以提高準確度。

3.2 建模分析

本工程基坑是由大商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)2個相對獨立的基坑組成，2個基坑通過中間寬18 m的土體隔開，由于住宅區(qū)基坑地下只有1層，開挖較淺；大商業(yè)區(qū)地下2層，基坑開挖深度9～18 m，相對較深。

我們以大商業(yè)區(qū)基坑為研究對象進行建模。大商業(yè)區(qū)基坑平面尺寸類似于長方形：325.8 m×75.6 m。根據(jù)鉆探揭露，場地地下水初見水位埋深為2.30～4.40 m，混合穩(wěn)定水位埋深為2.00～4.20 m，受季節(jié)性變化影響，本場地常年水位變幅約為2.00 m[3,4]。

3.3 模型的邊界選取

基坑的整體類似于長方形，我們只需選取模型的一半進行分析模擬。根據(jù)大商業(yè)區(qū)的基坑尺寸，選取寬170 m、長35 m的土體作為模型研究。假設(shè)位移的計算邊界條件為：模型的左、右邊界水平方向位移為零；豎直方向允許發(fā)生變形；模型下邊界任意方向的變形均為零。

3.4 材料參數(shù)的選取

根據(jù)基坑的尺寸和形狀，采用15結(jié)點三角形單元進行計算，使模擬和計算的結(jié)果更加接近現(xiàn)場實際情況。在深基坑計算的理論基礎(chǔ)上用板單元代替擋土墻進行模擬和分析；模擬計算過程中涉及到的相關(guān)土體參數(shù)和支護樁參數(shù)見表1和表2。

表1 土體計算參數(shù)

表2 圍護樁計算參數(shù)

3.5 有限元模型

在建立有限元模型時，圍護樁可簡化成地下連續(xù)墻分析，冠梁可簡化成多跨連續(xù)梁。對于荷載選取我們按20 kPa計算，離基坑邊2 m以外，選取相關(guān)寬度為10 m。建立模型如圖1、圖2所示[5,6]。

圖1 計算模型

圖2 網(wǎng)格劃分示意

3.6 基坑土方開挖階段模擬

根據(jù)現(xiàn)場實際進度情況，我們將開挖過程分為以下幾步：灌注樁、旋噴樁和冠粱的施工→第1次開挖（開挖到-2.00 m位置），設(shè)置第1道錨桿→第2次開挖（開挖到-6.50 m處），設(shè)置第2道錨桿和腰梁→第3次開挖（開挖到基坑底處）[7]。

3.7 基坑開挖過程土體有效應(yīng)力和位移

由圖3、圖4可以看出：隨著基坑土方的開挖，擾動了土體初始應(yīng)力場，導(dǎo)致土體應(yīng)力重新分布。在初始荷載加載以及鄰近建筑物重力的影響下，基坑內(nèi)側(cè)土體的有效應(yīng)力伴隨著基坑開挖深度的增加也逐漸增加，在樁頂及基坑底部周圍出現(xiàn)最大區(qū)域的有效應(yīng)力分布，其值接近于45 kN/m2，在規(guī)范的要求范圍內(nèi)。

圖3 基坑開挖到-6.50 m處土體有效應(yīng)力

圖4 基坑開挖到坑底標高處土體有效應(yīng)力

通過對基坑開挖過程中的水平位移（圖5、圖7）進行分析，我們可以看出，在開挖至第1道錨桿之前，因為基坑上部的放坡和利用土釘墻放坡支護，整個土體的結(jié)構(gòu)相對較穩(wěn)定，因開挖的深度較淺，土體壓力較小，所以由此產(chǎn)生的位移較小，僅為6.20 mm。第2次開挖時，支護樁頂?shù)奈灰茷?6.00 mm，因為已在-2.00 m位置設(shè)置了1道錨桿，此時，整個基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。開挖到基底標高位置時，樁頂最大位移達到25.12 mm。這一結(jié)果符合擋土樁沿基坑深度變化的規(guī)律，即：支護樁水平位移樁頂大、樁底小，基本上沿深度呈線性變化，并且隨深部土方開挖，支護樁水平位移有較大增加[8]。

基坑開挖過程中土體豎向位移如圖6、圖8所示，在基坑土方開挖過程中，由于土體周圍環(huán)境的改變，土體之間的相互作用力也出現(xiàn)從之前的平衡狀態(tài)到重新再平衡的一個過程，土體的變化會導(dǎo)致其形成一個沉降區(qū)，經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)該沉降區(qū)主要在基坑上部5～7 m的位置。累計沉降最大值為4 cm。隨著后期土體的穩(wěn)定，土體周圍再次達到平衡后，土體的沉降值較小，變化較緩和，逐漸趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 基坑開挖到-6.50 m位置土體X方向位移

圖6 基坑開挖到-6.50 m位置土體Y方向位移

圖7 基坑開挖到基底土體X方向位移

圖8 基坑開挖到基底土體Y方向位移

3.8 開挖過程支護樁彎矩

在開挖至第1道錨桿之前，整個土體的結(jié)構(gòu)相對較穩(wěn)定，土體壓力較小，此時支護樁產(chǎn)生的彎矩較小，圖9為基坑開挖到-11.00 m位置圍護樁彎矩，可以看出此時支護樁最大彎矩為77.2 kN·m位于基坑底部；當(dāng)基坑開挖到坑底時（圖10），支護樁最大彎矩達到620 kN·m，發(fā)生在基坑中部附近[9]。

4 結(jié)語

本文通過PLAXIS有限元模擬基坑開挖過程中土體有效應(yīng)力和位移的變化，表明在土方開挖過程中，支護樁的水平位移變化是樁頂大、樁底小，基本上沿深度呈線性變化，并且隨深部土方的開挖，支護樁水平位移有較大增加。當(dāng)基坑開挖到坑底時，支護樁最大彎矩發(fā)生在基坑中部附近，此時支護樁最大彎矩達到620 kN·m，從而證明本工程基坑支護所選擇的的支護樁加預(yù)應(yīng)力錨桿形式滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

圖9 基坑開挖到-11.00 m位置圍護樁彎矩

圖10 基坑開挖到坑底圍護樁彎矩