數(shù)值模擬在深基坑開挖過程中的應用研究

陳德紹 陳琰 孫文凱

文章運用Plaxis2d軟件對深基坑開挖過程進行數(shù)值模擬計算，并以柳州市橋都小苑深基坑施工過程為例，通過對垂直位移與水平位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結果的對比分析，驗證了數(shù)值分析方法具有較好的模擬精度，值得進一步推廣應用。

數(shù)值模擬;位移;深基坑;監(jiān)測

U491-A-46-165-4

0?引言

深基坑在開挖和后期施工過程中，除了需要保證基坑自身的穩(wěn)定性以外，還要確保基坑周邊的建筑物和地下管網(wǎng)不受損壞。如果能對基坑開挖過程中周邊位移變形過程進行模擬，提前知道各部位的變形情況，做好應對措施，將大大減少深基坑施工事故。目前針對基坑工程的數(shù)值模擬方法雖已被廣泛應用，但在工程實際中這部分內(nèi)容所占據(jù)的位置仍較尷尬，因為對數(shù)值模擬結果往往缺乏有效的檢驗手段[1-2]。本文借助柳州市橋都小苑深基坑工程為研究對象，運用Plaxis2d軟件對開挖過程進行數(shù)值模擬計算，計算基坑在土釘+掛網(wǎng)噴混凝土支護設計方案下的變形情況，進而通過對已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結果的對比，進一步驗證此種數(shù)值分析方法具有較好的模擬精度，值得進一步推廣。

1?模型建立

目前大多數(shù)學者都認為深基坑工程開挖的影響范圍主要是由基坑的平面形狀、開挖深度、土質(zhì)條件和對地下水原始滲流影響程度等因素共同決定，在進行數(shù)值模擬時所選取的計算邊界大小將對計算結果的精度產(chǎn)生很大的影響[3-4]。眾多國內(nèi)外工程經(jīng)驗表明，基坑工程對周邊的影響范圍約為開挖深度的3～4倍，影響深度約為開挖深度的2～4倍[5]。根據(jù)橋都小苑深基坑的開挖深度和周邊工程環(huán)境特征，本文選取其中一個剖面進行模擬計算，建立30 m×40 m（深×長）區(qū)域的計算模型，將基坑開挖分為7個工況：（1）基坑開挖至0.9 m;（2）基坑開挖至2.3 m;（3）基坑開挖至3.7 m;（4）基坑開挖至5.1 m;（5）基坑開挖至6.5 m;（6）基坑開挖至7.9 m;（7）基坑開挖至9.73 m。

模型中土體網(wǎng)格采用計算精度較大的15節(jié)點三角形單元，該單元提供4階位移插值，數(shù)值積分采用12個高斯點（應力點），可以很好地反映研究區(qū)各個點的應變情況。利用板單元模擬混凝土面層，混凝土面層參數(shù)為2.1 GPa（彈性模量）、0.25（泊松比）、100 mm（厚度）、C20（混凝土等級）、D8@200（配筋），各土層與混凝土面層之間的界面均設定有“虛擬厚度”，其厚度默認值為0.1，在模擬與巖土體之間的相互作用時（介于光滑與完全粗糙之間）通過給界面選取合適的界面強度折減因子（Rinter）的值來模擬。利用土工格柵單元模擬土釘，土釘僅受到軸向拉力作用，不產(chǎn)生抗壓和抗彎效應，其軸向剛度EA統(tǒng)一取為2×105 kN/m。

各層巖土體的計算參數(shù)參照工程地質(zhì)報告，土層與混凝土面層之間的強度折減因子按照參考值從第一層開始依次取為0.6、0.6、0.67、0.67、0.8，土釘布置如圖1所示，建立好模型后分施工階段激活各個部件和施工工藝。

2?模擬結果

2.1?各工況水平位移特征

圖2～10分別模擬了基坑在開挖施工過程中的水平位移。圖11是總位移云圖。

（1）開挖一開始，就打破了土層原有的平衡狀態(tài)，應力重新分布，從而導致位移區(qū)迅速集中。可以看到隨著開挖的進行，水平方向的位移逐漸增大，位移方向為臨空側，最大位移出現(xiàn)在工況7，位移主要集中在坡面中部深度4～5 m處，為-27.63 mm（向左側臨空面）。

（2）開挖深度加大后，可以看到發(fā)生位移部分逐步向后擴散延伸，直至圖3中完全貫通。同時可以發(fā)現(xiàn)水平位移的總體影響范圍多集中在坡面附近，

在距離基坑25 m之外所受影響較小。

（3）在完成分步開挖布置混凝土面層和土釘后，可以看到水平位移在面層和土釘附近發(fā)生突變，說明土釘+掛網(wǎng)噴錨支護方式能有效限制土體的側向變形。

（4）土體的最大位移位置發(fā)生在第二層土體中。

（5）原本均布附加荷載左側是發(fā)生正向位移，右側發(fā)生負方向位移（圖中向左）。在卸荷回彈量不斷增大的情況下，左側的位移不斷被抵消，直至圖8中全部轉化為負方向的位移。一旦發(fā)生較小的負向位移，此時的外加荷載和其正下方的土體的平衡狀態(tài)被打破，可將其整體視為“助長”了斜坡的水平向變形。

同時模擬了基坑在開挖施工過程中的垂直位移。

由基坑壁表面布置的水平監(jiān)測截面可知距基坑壁任意位置的沉降值，見圖12（圖中負值代表沉降）。

（1）地表沉降隨著開挖的深度的加大，沉降量也不斷增大。

（2）地表沉降的最大值都是位于均布荷載的中心位置，距離基坑側壁越遠，沉降值越小。由于地表淺層為松散填土，且基坑外側土體對坑底的擠壓作用，導致距離基坑壁較遠的位置仍有一定的沉降值。

（3）工況7和工況8的位移值基本一致，主要是由于第6排和第7排土釘均在圓礫土中，圓礫土的剛度較大，開挖后回彈量相對較小。

（4）計算剖面中，距基坑壁17.7 m處為地下水管和電信光纜，通過數(shù)值模擬可知該處的沉降值范圍，有利于對管線的保護和工程項目的順利開展。

（5）圖11展示了工況8條件下，基坑坡面的總位移云圖。圖13～15為水平位移矢量圖、垂直位移矢量圖和總位移矢量圖。圖13中水平位移方向均指向斜坡外側，其數(shù)值大小用垂直坡面方向的長度表示。圖14中垂直位移分為指向斜坡內(nèi)側垂直向下和指向斜坡外側垂直向上，其數(shù)值大小用垂直于坡面方向的長度表示。總位移即為水平位移和垂直位移的矢量和，從坡頂至坡腳，其數(shù)值大小基本均勻，位移方向先是斜向下，逐漸變?yōu)樾毕蛏戏较?。由此可知，坡面的位移量主要是由水平位移決定，坡頂?shù)淖冃瘟縿t主要是由垂直沉降控制。

3?監(jiān)測結果與數(shù)值模擬結果對比分析

結合設計的具體施工進度，整理出橋都小苑基坑工程各步施工的時間節(jié)點，由于缺少基坑開挖完成之后的地下水位、荷載以及降雨情況，故模擬數(shù)據(jù)僅截止于52 d。

由圖16可以看出，數(shù)值模擬結果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢較為一致，且累計變形量較為接近。在開始施工后的第52 d，數(shù)值模擬得到的坡頂水平位移和垂直位移分別為17.65 mm和13.62 mm，距離剖面最近的監(jiān)測點p21的水平位移監(jiān)測在第49 d為25.09 mm，垂直位移監(jiān)測在51 d為21.57 mm。

圖17表明在前期施工時，數(shù)值計算結果與實際監(jiān)測數(shù)值基本一致。在21 d后，由于數(shù)值模擬構造的環(huán)境較為單一，未考慮外界不確定因素的影響，故其沉降值將不斷緩慢增大，最終的模擬結果為5.88 mm，但均未超出預警值。

在模擬中，水平位移表現(xiàn)為隨著開挖深度的增大，其最大水平位移也在不斷增大，且主要集中在開挖面的中部。坡頂?shù)乃轿灰浦饕怯捎诙演d和開挖作用，從堆載外側向開挖面中部延伸，有逐步貫通的趨勢，累計位移值介于剖面左右的監(jiān)測點p21和p22之間，與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)一致。基坑底的水平位移波動范圍較小，主要是由于側壁的土體擠壓所致。

在模擬中，垂直位移表現(xiàn)為隨著開挖深度的增大，坡頂位移向下不斷增大，坑底位移向上隆起。僅在堆載作用下，研究區(qū)的垂直位移呈對稱狀分布，由荷載作用段向周圍擴展減小。當開挖施工后，由于施工區(qū)的卸荷作用，坑底土體向上隆起，斜坡側壁土體對坑底也產(chǎn)生擠壓，導致坡頂向下位移也有不斷增大的趨勢。坡頂?shù)淖畲蟠怪蔽灰茷?6.95 mm，與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)較接近。

4?結語

本文以橋都小苑基坑工程為例，借助Plaxis2d軟件，對基坑薄弱區(qū)剖面進行了施工過程基坑位移分布的數(shù)值模擬計算，并結合實際檢測數(shù)據(jù)驗證數(shù)值計算的準確性。進而通過對已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結果的對比，進一步驗證此種數(shù)值分析方法具有較好的模擬精度，值得進一步推廣，用以指導施工，減少深基坑施工事故。相信隨著相關科研工作的推進，數(shù)值模擬技術正在朝著無限接近現(xiàn)實的情況發(fā)展，直至可以再現(xiàn)工程過程。

參考文獻：

[1]何?敏.深基坑支護設計及穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[D].貴陽：貴州大學，2008.

[2]陳?源.?？谀成罨又ёo數(shù)值模擬及土體本構模型研究[D].海口：海南大學，2014.

[3]王利民，曾馬蓀，陳耀光.深基坑工程周圍建筑及圍護結構的監(jiān)測分析[J].建筑科學，2000，16（2）：15-24.

[4]趙志俊.基坑開挖對鄰近建筑物變形影響數(shù)值分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2010.

[5]高爾新，周中一，申金生，等.深基坑復合支護結構均勻設計數(shù)值模擬試驗初步研究[J].工程建設與設計，2006（3）：40-42.