深基坑围护有限元模拟分析

深基坑围护有限元模拟分析

张宁宁

张宁宁

（上海三盛房地产（集团）有限责任公司，上海，200060）

【摘要】采用了PLAXIS有限元计算分析软件，建立了基坑围护体系的计算模型，并以上海某具体项目为分析对象，对基坑开挖的过程进行了数值化模拟，分析了支撑的刚度、土体的弹性模量等因素对基坑变形的影响，对软土地区基坑工程设计和施工有较好的意义。

【关键词】深基坑工程；有限元分析

前言

随着城市地下空间的开发，地下空间利用加大，基坑周边环境的保护要求也越来越高，而深基坑开挖和支护是一个综合性的岩土工程难题，涉及了土力学、结构力学中强度、变形等众多问题，又涉及到了土体与支护结构共同作用的问题[1]。由于基坑开挖施工时，难以对围护体系进行研究和分析，而有限单元数值模拟法可以较为方便的确定各设计参数关系，对基坑围护设计和施工有较好指导意义。本文以上海地区基坑项目为研究对象，运用大型PLAXIS有限元分析软件，对深基坑围护体系在开挖过程中进行了较为全面的有限元分析，分析了关键因素的影响，对提高大型基坑工程设计和施工的精度有较大的帮助。

1．工程实例

1.1工程概况

上海嘉定新城某基坑面积约为20000m2，总延长约为600m，基坑开挖深度约9.0m，基坑周边有重要市政道路和管线存在，故对该基坑变形有较为严格的要求。

1.2工程地质条件

根据本工程的岩土工程勘察报告，拟建场地区域内土层有括第①1层素填土、②3层粉砂、④层淤泥质粘土、⑤1层粘土。土层主要物理力学指标见表1。

1.3基坑围护方案

1）挡土体系

在挖深9.0m区域内，采用Φ800@1000钻孔灌注桩进行挡土，桩端入基底深度为19.0m，设计混凝土强度等级C30。

表1土层主要物理力学参数表

2）隔水体系

采用Φ700@1000双轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕，桩端入基底以下约8m。

3）内支撑体系

内支撑采用C35钢筋混凝土，截面参数见表2。

表2环梁支撑截面参数表

2．计算模式

基坑的支护结构是一个空间结构，几何尺寸、受力情况、变形结果均非常复杂，故在实际分析时，可以将围护桩和支撑结构体系考虑二者共同作用后分别进行计算。围护桩取沿基坑每延米长度作为计算的单元，其承受的土压力可以采用与桩间距的关系来进行分析。由此，根据竖向有限元计算，得出支撑对围护桩的反力作用，支撑体系则由围檩、内支撑和立柱等组成一个空间封闭框架体系，其外荷载则就是作用在圈梁上的支撑反力，其变形由两部分组成[2]：

（1）基坑支撑体系在水平平面上刚性位移，该位移通过协调，将不平衡力系调整为平衡力系。

（2）基坑内的支撑的变形，该部分变形计算时为弹塑性变形，为设计时主要考虑的形变。

2.1PLAXIS计算模型建立

运用PLAXIS软件对围护体系进行数值模拟分析，由于基坑大部分均可类似为矩形和圆形分析，本工程可以参照矩形分析，根据本工程平面的对称性，可以按照平面应变问题计算。在计算时，计算的宽度取80m，计算的高度取40m。对位移边界条件也进行假设：在整个对象模型中，模型的左右两边认为还有约束存在，变形为零；但在竖直方向，则允许产生一定的形变，下边界则认为有固定约束，形变为零。

2.2土的本构关系的选取

土是一种较为复杂的研究对象，不同于金属和岩石等物体，其在受力时，发生的弹塑性变形较为特殊。根据土力学相关理论，土体的本构模型众多，在实际工程中，采用理想的摩尔-库伦模型来模拟土的本构关系较多，本文也采用此种关系。该模型屈服准则表示如下[3]：

图4最大垂直位移图

由PLAXIS数值计算可得各工况下的计算结果（如表3）：

（1）由上表可知：第二道采用了钢筋混凝土支撑后，由于下部约束，对与竖向灌注桩构件，可以明显减小钻孔灌注桩的水平位移，同时，将减少钻孔灌注桩的弯矩、轴力和剪力。

（2）计算结果表明，钻孔灌注桩围护体的的水平位移的最大值出现在基坑开挖面的附近，近开挖面底部。

（3）由于基坑开挖过程中，基坑内卸土，坑底土体上部约束消除，将产生坑底的隆起现象，土体隆起的位置主要靠近基坑周边。

（4）坑外地表将出现沉降，沉降的大小与基坑的开挖深度成正比，同时，当基坑深度增加时，基坑外侧的最大沉降位置也距离基坑边也越来越远，说明其影响范围也越来越大。

3.1对基坑变形影响的重要因素

在基坑的施工过程中，由于现场的土层情况、施工情况、设计情况以及天气等原因，基坑变形受到较多因素的影响[4-5]。

本文根据笔者在工程实践中总结的对基坑变形影响较大的几种因素分析：

（1）支撑的影响

支撑影响中，在支撑位置一定是，主要研究支撑的刚度的不同对围护结构的影响分析，以及对基坑变形、内力分析的影响。

本文在分析是，对刚度分别取2A、A、0.5A时三种情况的分析（Ａ为支撑的刚度，当为混凝土支撑时，A为ＥＩ），在刚度发生变化，而其它参数保持不变时，计算结果参见下图图5。

由图5（a）中可以看出，随着支撑刚度从0.5Ａ逐步增加到Ａ，并增加到2Ａ，基坑开挖面以上的围护体的水平位移明显的逐渐减小，这表明在基坑设计过程中，支撑刚度对基坑的变形较为重要。

由图5（b）中可以看出，随着支撑刚度从0.5Ａ逐步增加到Ａ，并增加到2Ａ，围护体的正负弯矩值均出现了明显的减小。但围护体的弯矩为零的点的位置却基本相同，换而言之，如果弯矩为零的点定义为反弯点，那么支撑的刚度对反弯点的位置并不存在影响。当围护桩的弯矩增大时，需要增大围护桩的截面以提高抗弯能力。

图5不同支撑刚度时支护结构变形及弯矩

（2）坑内土体模量的影响

为了研究基坑现场的土体的弹性模量的变化对围护体的内力以及变形的影响，对土体的弹性模量分别取值0.5A、A和2A（A为土体的综合弹性模量），在土体及围护结构的其它参数保持不变的情况下，计算结果参见下图6。

由图6（a）可以看出，随着土体模量从0.5Ａ逐步增加到Ａ，并增加到2Ａ，围护体的的水平变形有明显的减小。可以提高了土体的弹性模量可以较好地控制基坑的变形，所以，在软土地区的实际的工程中，对于围护坑底以下的淤泥质土体等，可以采用水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、基坑内降水等方法，来提高被动区的土体的弹性模量，以达到减小基坑变形的目的。

图6不同土体模量下支护结构的变形和内力

由图6（b）中可以看出，随着土体模量从0.5Ａ逐步增加到Ａ，并增加到2Ａ，围护桩的正负弯矩均有了明显的减小。当土体的模量较小时，被动区提供的反力较小，同时，桩身弯矩增大，此时需要要提高围护桩的截面以提高其抗弯能力。

4．结论

本文通过运用有限元软件PLAXIS模拟了在软土的实际施工环境中，对基坑围护体系将会产生变化的影响因素的分析，重点分析了支撑的刚度、土体的弹性模量等因素对基坑变形的影响。计算结果表明，在实际的设计和施工中，只要选取合适的设计参数，符合现场条件，就能保证基坑的安全与稳定。

参考文献：

[1]黄嵘，高建军.考虑土体压力随变形及支撑预加轴力的围护结构分析和计算[J].结构工程师，2008，24(1)：60~65.

[2]张如林，徐奴文.基于Plaxis的基坑围护设计的数值模拟[J].结构工程师，2010，26(2)：131~136．

[3]何世秀,吴刚刚,朱志政,等.深基坑支护设计影响因素的有限元分析[J].岩土力学与工程学报,2005,24(增刊2):5478-5484.

[4]袁静，刘兴旺，益得清.基坑开挖中计算参数的选取分析[J]．工业建筑，2000，30(9)：46~51．

[5]刘润,闫玥,闫澍旺.支撑的竖向位置与基坑整体稳定性关系[J].岩石力学与工程学报,2005,25(1):174-178.