基于PLAXIS 3D的深基坑支護效果分析

邢江朋，梁東，張敬東，康文獻，陳泰霖，王安明

（1華北水利水電大學，河南鄭州 450046；2河南省地礦建設工程（集團）有限公司，河南鄭州 450071；3河南卓越建設工程有限公司，河南鄭州 450016；4河南水利與環(huán)境職業(yè)學院，河南鄭州 450008）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市地下空間利用率和利用水平越來越高，城市中的深基坑工程越來越多。城市中心建筑密集，深基坑工程技術要求也越來越高。在基坑工程施工過程中，經(jīng)常會遇到影響基坑穩(wěn)定的事件，由于基坑支護工程具有臨時性的特點，因此研究基坑支護的穩(wěn)定性變化十分重要。本文運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法[1-7]，對基坑工程中遇到基坑加深情況下的基坑變形情況進行了研究。

1 工程概況

該工程位于鄭州市中心地帶，基坑輪廓基本呈矩形，東西長約230m，南北寬約80m。基坑原設計深度為9.02m，在基坑開挖至7.97m時，為增加地下車庫停車位，對該工程地下車庫深度進行調(diào)整，因此基坑深度由9.02m加深至14.37m。基坑北側(cè)鄰近有五幢居民樓，四幢為六層老式磚混居民樓，一幢為16層鋼筋混凝土材料居民樓。基坑西側(cè)呈南北方向排列有三幢三層普通建筑物。基坑東南兩側(cè)均為市政道路。工程場地地貌單元所屬為黃河泛濫沖積平原，施工場地地形平坦，基本無起伏，各土層分布及參數(shù)見表1。

表1 各土層分布及參數(shù)

2 支護設計

2.1 原支護設計

工程原設計開挖深度為9.02m，基坑為二級基坑，采用預應力錨桿加土釘墻支護結構設計，1∶0.3放坡開挖，支護結構詳細設計如圖1所示。

圖1 原基坑支護設計

2.2 變更后支護設計

基坑深度變更后，基坑等級由二級變?yōu)橐患墸略霾糠植捎秒p排微型樁-復合土釘墻支護。設計方案中采用9.5m長雙排微型樁，并新增15m預應力錨桿。錨桿以下部分選用三排長度逐漸遞減的土釘進行支護。變更后基坑整體支護結構設計如圖2所示。

圖2 變更后基坑支護設計

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

本文采用通用巖土有限元計算軟件PLAXIS3D（CE V20版本）建立3D有限元基坑開挖模型。數(shù)值模擬時，選取模型的計算邊界大小對計算結果精確度有很大影響。結合眾多案例，根據(jù)基坑開挖深度及工程環(huán)境特征，選取北面部分基坑進行模擬計算，建立40m×25m×12m規(guī)則長方體區(qū)塊的計算模型。在土體初始應力平衡后將基坑開挖分為10個工況分步計算：（1）基坑開挖至1.5m，設置第一排土釘；（2）基坑開挖至3m，設置腰梁和第一排預應力錨桿；（3）基坑開挖至4.5m，設置第二排土釘；（4）基坑開挖至6m，設置第二排腰梁和第二排預應力錨桿；（5）基坑開挖至8m，設置第三排土釘；（6）基坑開挖至9m，布置冠梁，打入雙排微型樁，設置腰梁和新增預應力錨桿；（7）基坑開挖至10.5m，設置新增第一排土釘；（8）基坑開挖至12m，設置新增第二排土釘；（9）基坑開挖至13.5m，設置新增第三排土釘；（10）基坑開挖至14.37m，開挖完畢。

模型中土體采用Mohr-Coulomb模型，土體網(wǎng)格采用10節(jié)點四面體單元。利用板（plane）單元模擬混凝土面層，混凝土厚度為100mm，選用C20混凝土，彈性模量為2.1GPa，泊松比選用0.25。預應力錨桿分為兩段進行模擬，其中自由段選用點對點 （Nodeto-node）錨桿單元進行模擬，材料類型則為彈性，軸向剛度選用6.5×105kN，錨固段則采用嵌入式樁（Embedded pile）單元進行模擬，灌漿體楊氏模量為 3×107kN/m2，重度為24kN/m3。腰梁和冠梁選用梁（beam）單元模擬。土釘和雙排微型樁都采用嵌入式 樁（Embedded pile）單元進行模擬。模型整體網(wǎng)格劃分和基坑支護結構單元設置如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分及支護單元布置圖

3.2 結果分析

3.2.1 水平位移分析

整體基坑開挖主要分兩個大階段進行：一個為變更支護設計前，此時現(xiàn)場開挖至8m；另一個為變更設計后基坑開挖完畢。圖4—圖8為數(shù)值模擬中基坑從開挖到更改設計前各工況水平位移云圖，圖9—圖13為變更設計后從開挖到結束各工況水平位移云圖。

（1）原支護設計分析階段。在圖4中，基坑放坡開挖1.5m，可以看出土體應力穩(wěn)定性在開挖過程中遭到破壞，邊坡底部應力狀態(tài)變化最為明顯，但整體位移量變化較小；在圖5、圖6中，基坑進一步開挖至4.5m，隨著預應力錨桿的施加，邊坡應力分布出現(xiàn)了明顯的變化，支護結構附近應力與未設置錨桿區(qū)域相比變化較小，此時邊坡位移最大達到了0.85mm，位于坡頂往下4m左右；圖7和圖8與現(xiàn)場工程施工情況相對應，開挖至8m處，此后現(xiàn)場施工停止一段時間。可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，邊坡最大水平位移位置也隨之向下移動，這時水平位移最大部分位于基坑6m處，達到2.2mm。

（2）變更支護設計分析階段。圖9中，基坑向下開挖1m，設置冠梁并新增預應力錨桿，可以看出，此時應力變化并不明顯，水平位移為2.5mm；圖10中基坑繼續(xù)開挖1.5m，水平位移最大部分繼續(xù)向下移動，但并不明顯，此時最大水平位移為3mm；圖11—圖13中，基坑開挖至底部，新增微型樁樁端產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，開挖結束后，可以看出基坑最大水平位移位于9.5m處，達到了4.9mm。基坑最大水平位移位置處于新增預應力錨桿下方，由此可以判斷，此處錨桿設計遏制了水平位移的變化。

圖4 工況1水平位移云圖

圖5 工況2水平位移云圖

圖6 工況3水平位移云圖

圖7 工況4水平位移云圖

圖8 工況5水平位移云圖

圖9 工況6水平位移云圖

圖10 工況7水平位移云圖

圖11 工況8水平位移云圖

圖12 工況9水平位移云圖

圖13 工況10水平位移云圖

3.2.2 坡頂豎向位移分析

在模擬基坑開挖過程中，通過對基坑頂部五個節(jié)點的監(jiān)測，得出了距離坡頂0m、5m、10m、15m和20m處的豎向位移變化曲線，由圖14可以看出基坑開挖過程中基坑頂部豎向位移變化的特征。

（1）在支護設計變更前（工況一至工況五），坡頂豎向位移隨開挖深度的加大，位移不斷增大，坡頂處豎向位移達到6mm，距離坡頂越遠，豎向位移變化越小，距離20m處只有0.4mm。

（2）工況一對應第一排土釘施工，可以看出在第一排土釘施工后，折線斜率變小，豎向位移變化趨勢得到遏制；工況二、工況三和工況四中兩排預應力錨桿施工完畢，折線斜率進一步變小，基坑豎向位移變化進一步得到遏制；直到工況五，此部分原支護設計施工完畢，但施工進度停止，并未開挖到底，并且此時基坑閑置一段時間，可以在圖中看出，此時豎向位移達到最大；

（3）工況六這一階段是支護二次設計的施工階段，支護變?yōu)闃跺^支護結構，可以看出，此時豎向位移變化規(guī)律與上部錨桿混合土釘墻支護時完全不同，坡頂豎向位移開始緩慢變小；隨著基坑繼續(xù)開挖直到開挖結束，基坑頂部豎向位移變化趨于平緩，基本穩(wěn)定。

圖14 各工況基坑頂部豎向位移曲線圖

4 基坑監(jiān)測結果與數(shù)值模擬結果對比分析

4.1 水平位移分析

根據(jù)相關規(guī)范要求并結合工程的實際情況，在基坑開挖過程中對水平位移進行了監(jiān)測。坡頂位移使用光學全站儀進行測量，深層水平位移通過埋設測斜管，使用測量儀器XB338-2型測斜儀進行測量。基坑在施工過程中變更支護設計，測斜管并未重新埋設，依舊采用原有11m長測斜管進行測量。

圖15 深層水平位移與時間關系圖

圖15為基坑開挖過程中邊坡水平位移隨時間變化曲線，圖中選取了施工過程中大部分時間節(jié)點的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)。可以看出：（1）在深度4m和6m處水平位移變化趨勢得到遏制，此處對應了施工過程中預應力錨桿的布置，與數(shù)值模擬中變化趨勢基本一致。（2）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)中，基坑在開挖至8m時，水平位移達到4.3mm，與數(shù)值模擬進行對比，變化趨勢基本一致，數(shù)值略有差距。（3）基坑在開挖至9m處變更設計，變?yōu)榱穗p排微型樁結合復合土釘墻的設計。可以在位移曲線中看出，更改后新的支護設計起到了明顯作用。（4）在8m和10m處水平位移幾乎相等，且都為最大水平位移，而數(shù)值模擬中最大水平位移位于9m處，位移數(shù)值也存在部分差距，但整體變形趨勢較為一致。

4.2 頂部豎向位移分析

選取基坑坡頂位移觀測點中各工況結束穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行對比，從圖16中可以看出，模擬數(shù)據(jù)比實際測量數(shù)據(jù)最大值要大一些，兩者數(shù)據(jù)皆在警報值之內(nèi)。綜合整體數(shù)據(jù)進行比較，數(shù)值模擬與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)差距不大，且兩者變化趨勢較為一致。

圖16 監(jiān)測與模擬豎向位移曲線對比圖

5 結論

本文通過對某深基坑支護設計改變前后的數(shù)值進行模擬分析，并將數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場監(jiān)測結果進行對比，研究了基坑頂部豎向位移和基坑水平位移的變化規(guī)律，得出以下結論：

（1）通過PLAXIS 3D有限元軟件對基坑開挖進行模擬，模擬數(shù)值和基坑實際監(jiān)測數(shù)值雖有差值存在，但差值較小。并且，在模擬中基坑水平位移和坡頂豎向位移變化趨勢和實際監(jiān)測曲線趨勢變化相似，驗證了數(shù)值模擬研究基坑支護設計的可行性。

（2）在基坑開挖過程中，基坑頂部的豎向位移隨著基坑開挖深度的增加而增加，距離坡頂越遠，則增加程度越小。基坑水平位移隨基坑開挖呈現(xiàn)增長趨勢，但增長速率并非是線性增加。基坑深層水平位移最大位置隨基坑開挖向下移動，但并非移動到基坑最底部，基坑開挖結束后，最大水平位移位置位于基坑下部。

（3）設計變更后增加的樁（雙排微型樁）錨-復合土釘墻支護設計方案合理有效，可為其他類似基坑支護設計提供一定參考。