基于PLAXIS的某深基坑開挖與土釘支護設計數值模擬

李 勇

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司發電工程分公司，山西 太原 030001)

基于PLAXIS的某深基坑開挖與土釘支護設計數值模擬

李 勇

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司發電工程分公司，山西 太原 030001)

以霍州市某基坑工程為例，運用PLAXIS軟件對深基坑開挖與土釘支護設計進行了數值模擬計算，得到了土釘支護條件下基坑變形特征和開挖過程的安全性系數，對類似工程設計和信息化施工的實施有一定的參考價值。

PLAXIS軟件，基坑支護，安全系數，數值模擬

1 工程概況及基坑周圍環境分析

霍州某發電廠4號運煤皮帶自2號轉運站起斜向15°連接至3號轉運站，為輸煤系統的樞紐工程，本次施工部分為4號運煤皮帶地下廊道部分。周邊地形特征：基坑西側距離基礎邊約24 m，為一條原廠區道路，馬路標高約11.4 m，比4號廊道自然地坪+6.0 m高5.4 m，馬路東側有原片石擋土墻護坡，馬路向西方向長度約16 m；基坑北側為2號轉運站，已開挖至-6 m，且2號轉運站開挖時采用鋼筋混凝土筒壁支護，2號轉運站西側邊坡采用了土釘支護；基坑東側在卸煤溝開挖時已開挖至約-6.0 m，采用天然放坡即可滿足邊坡穩定。

2 場地工程地質條件

1)地基土分布情況。根據山西省電力勘測設計院《巖土工程勘測報告F1981S—G0116》得知，4號廊道土質自上而下分布情況分別為：雜填土、泥巖、石灰巖，局部有溶洞及充填物。本基坑開挖深度影響范圍內各土層主要物理力學性質指標見表1。

表1 各土層主要物理力學性質指標表

本模型中，土層①：雜填土(0 m～-8 m(-9.5 m))，土層②：泥巖(-8 m～-24 m)，土層③：砂巖(-24.5～-40 )，u= 0.3。

2)地下水條件。開挖時需采取降水措施。對應模型中基坑外側水標高-14.00 m，基坑內側降水后水標高-22.00 m。

3 基坑支護方案說明及方案特點

1)邊坡支護方案選擇。

本基坑西側不具備放坡條件，臨近基坑邊無重要建筑物、無深基坑建筑物和地下管線。根據“安全、經濟、方便施工”的原則，并考慮到施工工期，決定采用土釘墻支護方案。

2)邊坡支護設計。

因基坑開挖深度較深，西側上部又有荷載，地下水位高，基坑開挖時有滑移的危險，故基坑開挖時西側邊坡采用土釘噴錨支護。豎向與水平間距均1.0 m。基坑西側支護深度為20.5 m。土釘選用HRB335級鋼筋，混凝土面層鋼筋網片的鋼筋網主筋，即與土釘相交的水平和豎向鋼筋均采用2根HRB335級φ20鋼筋(雙向@1 000)；鋼筋網片主筋之間和坑底面層鋼筋網片采用HPB235級φ8鋼筋、水平間距200 mm、豎向間距200 mm；每個土釘必須與面層鋼筋網片焊接牢固。噴射混凝土面層強度等級為C20，混凝土面層厚度100 mm，基坑頂部噴射混凝土水平長度不小于1.0 m。因本工程有地下水存在，在-8.5 m以下，噴射混凝土面層時按水平間距3 m、豎向間距3 m留設一個DN50 PVC管泄水孔，總體呈梅花形狀布置。基坑支護典型剖面圖如圖1所示。

3)降水系統設計。

本工程地理位置東側緊挨汾河，地下水位高，涌水量大，開挖基坑時必須降低地下水位至基底2 m以下時，方可開挖。根據現場實際施工情況，2號轉運站基底比4號廊道最深處低4 m，開挖4號廊道時在基坑兩側修筑臨時排水渠，將地下水引入2號轉運站內。

4 基坑有限元模擬

本模型采用二維有限元程序PLAXIS 進行數值模擬。土體本構模型采用理想彈塑性模型，強度準則采用摩爾—庫侖破壞準則；板單元模擬混凝土面層；格柵單元模擬土釘；Interface單元模擬混凝土面層和土體接觸部位的相互作用。模型中界面強度折減因子取為0.7。土體網格采用15節點的三角形單元(2D)，模型尺寸104 m×40 m。建模時邊界條件為地下水位位于開挖面以下2 m，左右邊界X向位移為0，底部邊界X，Y方向位移均為0。工況一考慮地面車輛荷載加載：原廠區道路過重車和施工荷載，施加均布線荷載120 kN/m。工況二不考慮地面車輛加載，僅考慮施工荷載：施加均布線荷載5 kN/m。

在計算過程中較仔細地模擬了其基坑開挖及土釘和護坡面層建造的過程,并用Mohr-Coulomb模式來描述土的應力應變關系以考慮土的軟塑性。混凝土護坡面層,厚100 mm,取Ec=2×107kPa,則有EI=1 666 kN·m2,EA=2×106kN(每延米值),注漿孔徑為150 mm,取EA=6.47×105kN(每延米值)，對應土釘為3D25。計算步驟為:1)選擇重力加載，生成土層初始應力；2)重置位移為0，施加坑邊地面荷載120 kN/m(10 kN/m),荷載作用寬度16 m；3)開挖至-2 m深度,設置第一層、第二層土釘及護坡混凝土面層,采用重復步驟開挖共10步開挖到-20 m，第11步開挖到坑底-20.5 m。

模擬結果分析：

1)開挖過程安全性分析。

巖土工程定義的安全系數為結構具有的承載力/承受荷載所需要承載力。不同于通常結構定義的安全系數(極限荷載/工作荷載)。對每一步施工后選擇強度折減phi/c法計算。計算結果得到的∑-Msf見表2。

表2 整體安全系數(∑-Msf)與開挖深度關系表

由圖2～圖5可知，土釘支護大大提高了基坑開挖的安全性。土釘的整體性和剛度導致土體中應力擴散。土釘受拉力后，一方面減少了土釘加固范圍內本該由土體承受的剪力，另一方面通過增加剪切面上的正應力提高了土體的抗剪強度，從而導致土體潛在最危險滑動面(連通的塑性區域)的轉移，導致土體的穩定性提高了。圖4和圖5中明顯看出本工程潛在滑動面都在土釘加固土體范圍外，土釘計算參數選取合適。邊坡的破壞形式有三種：a.內部破壞，破壞面穿過加筋土體；b.外部破壞，破壞面未穿過加筋土體；c.混合破壞，既有內部破壞又有外部破壞。正確確定加勁土體潛在破裂面的位置很重要。我國現行規范一般規定0.3H破裂面為簡化計算破裂面，圖1中的圓弧滑動面(7.074 m)為依據JGJ 120—99建筑基坑支護技術規程計算土釘墻整體穩定性采用的滑動面。《建筑基坑支護技術規程》土釘墻整體穩定性驗算公式6.2.1中均未體現出土釘強度與長度以及軸向拉伸剛度等參數對潛在滑動面位置等計算結果的影響。而PALXIS強度折減法能考慮土釘參數的影響。本工程中土釘剛度較大，筋材未被拉斷和拔出，加筋土體內部沒有失穩，故滑動破裂面在加固土釘外側，屬于外部破壞。按照《建筑基坑支護技術規程》得出滑動面屬于內部破壞。通過比較得出，在土釘未被拉斷的情況下，計算破裂面取0.3H是否合理有待進一步研究。強度折減法找到的圓弧滑動面更準確些。

有支護工況二條件下，降低土釘的剛度參數EA，對應的安全系數由1.57降到1.49。降低土釘的長度為原來一半，對應的安全系數由1.57降到1.34。有支護工況一條件下，降低土釘的長度為原來的0.7倍，安全系數由1.35變為0.98(見圖6，圖7)。驗證了土釘的參數對土體潛在最危險滑動面位置和安全系數的影響。

2)開挖支護完成后位移及內力分析見圖8～圖11。

由以上圖和分析可以得出：

1)開挖深度20.5 m時，土釘最大軸力59.21 kN/m，算得土釘最大軸力約350 kN。土釘采用HRB335鋼筋，設計強度為300 N/mm2，則鋼筋面積為350 000/300=1 166 mm2，采用3D25 mm(面積為1 471 mm2)；土釘所受力分布大致是三角形，在接近面層處達到最大，在自由端減小為0。對一定的開挖深度，不同水平土釘的最

大軸力大約相同(即土釘軸力分布圖上三角形的面積大約相等)。 2)坑壁最大水平位移為17.67 mm，小于0.3%H，發生在頂部。較大的水平位移發生在邊坡頂部和中下部，底部土體水平位移最小。實際施工過程中觀察到的水平位移為19 mm，計算值與實測值比較接近，滿足規范要求。3)面板最大軸向力136.57 kN/m，面板最大剪力56.66 kN/m，面板最大彎矩24.5 kN·m/m。

5 結語

由數值模擬的結果看出，土釘支護在本基坑開挖中穩定性和變形均滿足設計要求。說明對于場地深基坑開挖放坡受到限制的情況下，采用放坡開挖與土釘墻支護結構相結合的支護方案是經濟合適的，節約了工程造價，也節省了工期，同時能滿足安全要求。

[1] 鄭 剛,顧小魯.高等基礎工程學.北京：機械工業出版社,2007.

[2] 龔曉南,宋二祥.基坑工程實例.北京：中國建筑工業出版社,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，碩士，工程師

1009-6825(2015)33-0085-03

TU463

A