PLAXIS在基坑变形数值分析中的应用

摘要:基坑工程数值分析的一个关键问题是采用合适的土体本构模型。0PLAXIS岩土工程有限元分析软件是用于解决岩土工程的变形、稳定性和地下水渗流等问题的通用有限元系列软件，其提供了摩尔-库仑（MC）、土体硬化（HS）、软土蠕变（SSC）等多种土体材料模型。本文从工程实例出发，讨论了以PLAXIS进行基坑变形数值分析的参数计算思路、对比分析了MC和HS模型的计算结果，并与基坑监测结果进行比较，可为类似工程提供参考。

关键词:数值分析；MC模型；HS模型

PLAXIS deformation in the pit in the application of numerical analysis

Ye Haibo

Jiading District, Shanghai Real Estate (Group) Co., Ltd.

Abstract: The Excavation of a numerical analysis of the key issues is the use of appropriate soil constitutive model. [1] PLAXIS geotechnical finite element analysis software is used to solve geotechnical deformation, stability and common issues such as groundwater seepage finite element family of software, which provides a mole - Coulomb (MC), soil hardening (HS ), soft soil creep (SSC) and other soil material model. This departure from the Project to discuss the numerical analysis of pit deformation PLAXIS for calculating the parameters of thinking, comparative analysis of the MC and HS model results and monitoring results were compared with the pit, can provide a reference for similar projects.

Keywords: numerical analysis; MC model; HS model

1工程概况

上海某地铁车站基坑工程为二地铁线十字相交处，后建南北向车站被已建的东西向车站分隔为南北两个区域，地质条件复杂，道路管线多，交通流量大，周围建筑物密集。本文对其拟建的北侧标准段区域进行分析，基坑南北长约65m、东西宽约25.2m～31.2m，基坑开挖深度约为24.0m，基坑保护等级定为一级。

1.1地质资料

基坑范围内主要涉及杂填土、素填土、褐黄～灰黄色粉质粘土、灰色砂质粉土、灰色淤泥质粘土、灰色粘土、灰色粉质粘土、暗绿～草黄色粉质粘土、草黄色粘质粉土、草黄色粉砂、灰色粉砂、灰色粘土层土。

1.2水文资料

本工程地下水主要有浅部土层中的潜水，及深部粉性土、砂土层中的承压水。上海年平均水位埋深在0.5～0.7m，低水位埋深1.50m。现场测得的地下水位埋深一般在1.15～1.25m之间。

1.3支护结构体系

1.3.1围护结构

围护结构采用1000mm厚地下连续墙，混凝土强度等级为水下C30。标准段地下连续墙深42米，入土比为0.74。

1.3.2支撑

基坑采用钢支撑和混凝土支撑，标准段设9道支撑，第2、4和7道分别为800×1000、1000×1000和1200×1000混凝土支撑，其余均为Φ609×16钢支撑，第3、5道支撑有移撑。

1.3.3地基加固

地基加固采用高压旋喷桩局部抽条加固，标准段加固范围为第六道钢支撑中心以下3米及坑底下3米，加固强度为qu≥1.2MPa。

2数值模拟分析

2.1计算模型

结合监测点位置计算断面取[M-7]轴×[14]轴处，此处基坑宽度为31.2m左右，最大开挖深度为24.00m。根据工程经验，基坑开挖宽度影响范围为开挖深度的3～4倍，基坑开挖深度的影响范围为开挖深度的2～4倍。计算模型可按此取水平方向上长度为75.6m，竖直方向上深度取为60m。

2.2单元模拟

数值模拟中土体采用平面应变15节点2-D等参土体(soil)单元；围护结构地下连续墙采用板桩墙(Plates)单元来模拟；支撑结构按照抗压构件(Anchors)来考虑；土与结构按特殊接触面(Interfaces)单元处理。

2.3边界条件

基坑开挖过程中，数值模拟中的位移边界条件：数值计算中地表为自由边界条件；模型左右两侧边界的侧向位移限制为零；模型底部边界的竖向位移和水平位移均限制为零。

2.4计算工况

①施工此范围内的地下墙结构及地基加固、相应灌注桩、格构柱。

②沿基坑深度从上至下挖土至相应支撑顶部，然后及时掏槽开挖浇筑混凝土支撑或架设钢支撑，直到挖至下一层板梁下，架设第三道钢支撑，浇筑下一层部分板带并架设钢筋砼支撑，中部预留施工阶段出土孔。

③待下一层板带及其钢筋砼支撑达到设计强度后，开挖至第四道钢支撑处。

④及时架设第四道钢支撑（将第三道钢支撑移至第四道钢支撑处），然后开挖至下二层板梁下，架设第五道钢支撑（备一道钢支撑），浇筑下二层部分板带并架设钢筋砼支撑，中部预留施工阶段出土孔。

⑤待下二层板带及其钢筋砼支撑达到设计强度后，开挖至第六道支撑处。

⑥及时架设第六道钢支撑（将第五道钢支撑的备撑移至第六道钢支撑处），然后开挖至坑底。

⑦做素砼垫层并浇筑砼底板，底板达到强度后不得拆除支撑。

2.5土体计算参数

由于本构模型的不同，土体主要计算参数的设置也不同。岩土工程分析计算中，MC本构模型经常使用，但其不能模拟土的一些特殊形为特性，而HS模型可以体现初次加载和卸载-再加载之间的刚度差别。本文分别采用以上两种土体本构模型进行模拟计算。

2.5.1 MC土体模型

在PLAXIS程序当中MC模型，共需要五个参数杨氏模量E、泊桑比υ、内聚力С、内摩擦角φ、剪胀角ψ。根据PLAXIS材料手册，粘土剪胀角ψ≈0，泊桑比С一般取0.15～0.25；内聚力С、内摩擦角ψ为土体强度参数，根据地质勘查报告取用；杨氏模量E为土体的刚度参数，可分为初始切线模量Ei、一点切线模量Etan、割线模量Esec和回弹模量Eur。其中，割线模量Esec代表土体平均刚度，多作为杨氏模量E。0

2.5.2 HS土体模型

Hardening-Soil模型采用Mohr-Coulomb破坏准则，主要涉及到刚度参数压缩模量、参考割线刚度、参考卸荷再加荷模量、卸载再加载泊松比Vur等。

压缩模量：根据地质勘察报告或相关技术标准结合经验选取；

参考割线刚度：按照正常固结粘土，取 (1～2)；

参考卸荷再加荷模量：根据相关工程经验并结合Plaxis中默认缺省关系，取。

卸载再加载泊松比Vur：对砂性土取Vur=0.15，粘性土取Vur=0.20。 [2][3]

2.5.3水泥土加固土体参数

考虑到本工程坑底加固为局部抽条加固，计算模型可从安全角度出发不考虑土体加固。如为满堂加固需考虑水泥土加固影响时加固后水泥土粘聚力c=0.2qu，内摩擦角φ取30°；初始割线模量Ei=E50=(60～154)qu。[2]0

2.6支护结构计算参数

2.6.1地下连续墙

因此HS模型的数据模拟结果更为真实。

3数值模拟计算结果评价

由2知，HS模型比MC模型可以给出更为符合实际情况的模拟结果，因此，对数值模拟计算结果的评价可仅比较HS模型计算得到结果与实际监测数据、规范经验形式的结果。

3.1.1规范控制值与经验预估0

基坑保护等级为一级时，（1）围护结构最大侧移控制指标为0.18%H，为43.2；（2）坑外地表最大沉降控制指标为0.15%H，为36.0。

3.1.2监测布置与监测数据

基坑部分监测项目与监测点开挖至基坑设计标高时，（1）坑内隆起（K1）监测结果为19.90；（2）坑外地表沉降监测数据结果最大值为19.90；（3）地下连续墙水平位移曲线最大值为50.61，已超过报警值。

3.1.3数值模拟计算（HS模型）结果的评价

（1）坑外地表沉降

根据HS模型数据模拟计算结果，由PLAXIS程序导出图8（b）坑外地表沉降Uy的数据表，并形成曲线图，叠加沉降监测点数据得到图12。由图可知，数值模拟坑外地表沉降曲线与监测数据点的分布比较吻合，且比较吻合规范经验公式沉降曲线的形态。

坑外地表沉降数值模拟曲线与沉降监测点比较图

（2）地下连续墙水平位移

采用HS模型数据模拟计算地下连续墙的水平位移小于实际监测值，原因：（1）数值模拟计算过程钢筋混凝土支撑刚度按照设计值取用，实际基坑开挖施工时并非在结构梁板达到100%强度后才开始下层土施工；（2）数值模拟钢支撑掏槽开挖较为理想状态，实际掏槽开挖局部土层还是会产生短时的“局部缺撑”状态。而地下连续墙的最大水平位移的位置，数值模拟（21.75m）与实际监测值（24.00m）略有差距，但其符合文献[2]上海地区地铁基坑统计结果，即“20m以上的基坑围护最大变形值一般位于开挖面以上，平均值0.9h深度处”。

（3）坑内隆起

很明显坑内隆起的实际监测值小于数值模拟结果（73.09m），主要原因是简化计算时未考虑结构梁板局部逆作先行浇筑后自重以及局部土体加固附加荷载的压土作用。

4结论

（1）以PLAXIS岩土工程软件采用HS土体模型对上海软土基坑工程进行数值模拟可以得到较为符合实际情况的结果，可以此评估基坑开挖的变形情况以及对周边环境的影响。

（2）采用钢筋混凝土支撑的板式支护体系围护结构的基坑工程，施工过程中需要确保支撑达到设计要求强度方可进行下层土体开挖施工，否则可能引起围护结构水平位移超限值。

（3）逆作法浇筑的结构梁板自重以及坑底加固作为附加荷载可以有效的抑制坑内隆起量，由于缺少具体先行浇筑结构范围，故本文未作相关的比较计算。

参考文献：

[1]上海市勘察设计行业协会，上海现代建筑设计（集团）有限公司，上海建工（集团）有限公司主编.DG/TJ08-61-2010.上海市工程建设规范《基坑工程技术规范》.上海，2010

[2]刘国彬，王卫东主编.基坑工程手册（第二版）.北京：中国建筑工业出版社，2009

[3]北京金土木软件技术有限公司.PLAXIS岩土工程软件使用指南.北京：人民交通出版社，2010

作者简历：

叶海波（1979―），男，本科，工学学士 ，工程师（结构设计专业） 地基基坑围护设计与施工 上海嘉定区房地产(集团)有限公司、九三学社社员、注册二级建造师

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。