PLAXIS數值模擬在深基坑地連墻支護中的應用

王小潔

（北京市地質工程公司，北京 100143）

0 引言

隨著城市建設的快速發展，高層建筑物的建造、地鐵隧道及大型市政設施的施工等呈現出規模越來越大、開挖深度越來越深的特點。基于深基坑工程的復雜性，地下連續墻以其墻體剛度大、整體性強、防滲性能和耐久性好等特點，廣泛應用于深基坑支護工程。在基坑開挖過程中，開挖卸載將引起墻體的側向位移及周邊土體和建筑物發生沉降變形，若變形過大將導致坍塌和周邊建筑物開裂破壞事故。因此開挖過程中應對土體位移、支護結構內力進行觀測。目前，采用數值計算的方法越來越廣泛地應用于工程實踐中，借助于功能強大的計算軟件和高速的計算機，使得人們應用數值分析手段來研究和揭示土體變化機理。

本文采用PLAXIS軟件模擬地下連續墻開挖過程中的土層受力及變形特性，為地下連續墻的設計與施工提供參考。

1 PLAXIS軟件介紹

PLAXIS是用于巖土工程變形和穩定性分析的有限元分析軟件，為了模擬土和巖石的非線性、時間相關性和各向異性的行為，相應的本構模型的建立是必須的。另外由于土是一種多相介質，需要特別的計算方法來對靜水和超靜水壓力進行計算。盡管土體本身的模擬是重要的，但許多工程項目也必定涉及結構構件的模擬和土與結構的相互作用分析(吳忠誠等，2006)。而PLAXIS就包括了所有這些用于分析復雜土工結構的功能。

2 數值模擬分析模型的建立

（1）選用的結構單元

地連墻采用PLAXIS中的板單元。板具有相當的抗彎剛度（或彎曲剛度）和軸向剛度，可以模擬z方向延伸的擋土墻、板、殼體或襯砌的影響。除了剛度參數，還需要定義泊松比、容重和強度參數。

錨桿采用PLAXIS中的點對點錨桿。錨桿為彈簧單元，主要的錨桿性質是軸向剛度EA，對每個錨桿用力的單位輸入，而不是平面外方向的單位寬度。要計算單位寬度等效剛度，必須輸入平面外距離Lz。在分步施工的計算當中，對錨桿可以施加預應力。在這樣的計算里，某個計算步驟的預應力可以直接在錨桿屬性窗口里輸入。

（2）土體的本構模型

目前在地連墻支護數值模擬分析中，采用的本構模型有：Mohr-Coulomb模型、節理巖石模型、Hardening-Soil模型、軟土蠕變模型、軟土模型和改進的Cam-Clay模型。

本文土體本構模型采用Hardening-Soil模型，Hardening-Soil模型是一種改進了的模擬巖土行為的模型，對于Hardening-Soil模型來說，采用三個不同的輸入剛度可以將土體剛度描述得更為準確：三軸加載剛度E50、三軸卸載剛度Eur和固結儀加載剛度Eoed。

（3）邊界條件

根據巖土工程勘察規范中的基坑工程，平面和深度上取2～3倍的基坑深度（丁勇春，2012）。由于模型尺寸足夠大，可以認為開挖對模型邊界的應力和應變影響較小，故對模型底部采用豎向約束，兩側采用水平約束，頂部自由（丁勇春等，2007）。

（4）建立模型

模型中土體分為5層，從上至下分別為雜填土、粉土、粘性土、中砂和粉土。土體力學性質包括重度、剛度和強度（圖1）。

圖1 PLAXIS模型

3 現場原位測試

3.1 深基坑工程的概況

基坑長730m，寬175.8m，總開挖面積約12.8萬m2。基坑開挖深度18～20m。基坑平面圖如圖2所示。

3.2 地連墻支護結構監測

（1）周邊沉降監測

根據變形觀測方案，沉降觀測點共布置50個，所有沉降觀測點的布設均按規范要求執行。

（2）地連墻頂部水平位移和豎向位移監測

圖2 基坑平面圖

圖3 水平位移圖

圖4 垂直位移圖

圖5 地連墻位移圖

圖6 有效應力圖

圖7 平均有效應力圖

圖8 相對剪切應力圖

觀測點沿地連墻周邊布置，間距不大于20m，監測點共布置100個，設置在冠梁上。

（3）深層水平位移監測

根據變形觀測方案，深層水平位移采用測斜管，監測點共布置26個。

（4）錨桿內力監測

錨桿拉力監測點每層布置38個，每根桿體上的測試點設置在錨頭附近位置。

4 數值模擬結果分析

（1）水平位移特征

為了監測基坑墻頂水平位移和沉降的變化，采用9-9剖地連墻處的位移值進行監測，通過PLAXIS模擬監測結果如圖3所示。

觀察圖3可以發現，地連墻＋預應力錨桿結構的最大水平位移值為17.7mm，發生在基坑的中部，這是由于較厚的雜填土導致上部位移較大。模擬結果非常接近實測值18.2mm，誤差為2.7%。

（2）豎向位移特征

觀察圖4可以發現，該剖面地連墻最大垂直位移為2mm，主要發生在基坑周邊堆載的位置，實際監測墻頂沉降值為3mm左右。由于基坑周邊實際堆載重量與數值模擬的輸入值有出入，造成垂直位移的偏差。

（3）地連墻深層水平位移特征

觀察圖5可以發現，基坑以下地連墻位移呈倒三角形分布，自上而下最大位移3.4mm，實際監測地連墻深層水平位移3.7mm，模擬結果與實測結果非常接近。

（4）土體應力應變特征

從圖6和圖7可以發現，在基坑底靠近地連墻的位置和堆載處，主應力相對偏大，說明該位置受力狀況比較復雜。圖8反應了剪切應力的分布，可見該部位是相對受力薄弱的部位，設計時應引起注意。造成坡腳附近應力比較復雜的原因主要是由于被支護基坑沿著潛在優勢滑裂面滑移的趨勢，且滑裂面通過基坑底以下一定深度的土體（芮瑞，2008），從而對基坑底靠近坡腳位置的土體產生擠壓作用，促使其發生基坑底部隆起變形。因此在地連墻設計時應注意坡腳處的設計。

5 結語

（1）通過對地連墻支護結構實際監測數據與PLAXIS數值模擬數據相對比，二者基本吻合，為PLAXIS在深基坑支護工程的設計和施工提供參考和依據。

（2）基坑周邊堆載處和坡腳位置為基坑的薄弱部位，應加強該部位的設計和施工。

（3）PLAXIS數值模擬分析方法在取值上與實際情況存在差異，應結合現場情況對參數合理取值，得到可供工程借鑒的分析數據。

[1]吳忠誠，湯連生，廖志強，等.深基坑復合土釘墻支護FLAC-3D模擬及大型現場原位測試研究[J].巖土工程學報，2006，28(S1)：1460～1465.

[2]丁勇春，程澤坤，王建華，等.地下連續墻施工力學性狀數值分析[J].巖土工程學報，2012,34(S1)：87～92.

[3]丁勇春，王建華,.褚衍標，等.地下連續墻施工力學機理三維數值分析[J].巖土力學，2007，29(8)：1757～1761.

[4]芮..瑞，夏元友.基于三維有限元的地下連續墻深基坑逆作法施工方案設計[J].巖土力學,2008，30(5):1391～1395.