基于PLAXIS软件的深基坑变形与内力分析

吴建奇，李文彪，肖 波，陈成振

(1.江西理工大学，江西 赣州 341000;2.江西省赣南公路勘察设计院，江西赣州 341000;3.景德镇市建筑设计院赣州分院，江西赣州 341000;4.浙江大学岩土工程研究所，浙江杭州 310027)

1 工程简介

在基坑变形与内力分析中，常用的方法有极限平衡法和弹性抗力法。极限平衡法计算简单，主要应用于内力计算，但是难以计算支护结构的变形。而弹性抗力法可以计算支护结构的变形，不能计算支护结构周围土体的变形[1-7]。随着计算机的发展，对支护结构、土体的位移及内力进行数值模拟成为可能[8-11]。通过有限元方法可以分析支护结构和土体共同作用时对基坑变形的影响，从而使得基坑变形的实际情况得到反映。

本文以某软黏土地基地铁车站深基坑施工为工程实例，该场地属于江冲海积平原地貌单元。场地地下水以第四纪松散类孔隙水为主，浅层地下水属于孔隙性潜水，储存于表层填土及粉土、粉砂中，供给来源主要是地表水和大气降水，地下水位随季节性变化，与钱塘江水具有水力联系。

本文采用的有限元软件PLAXIS是由荷兰的Delft Technical University研制。该程序能够计算平面应变问题和轴对称问题，其强大的功能可以模拟复杂的工程地质条件，配合比奥固结理论，模拟软土地基上的基坑问题，分析固结过程中的沉降、有效应力、侧向位移及超静孔隙水压力等问题。

2 PLAXIS软件分析步骤

2.1 施工过程模拟

本工程基坑开挖过程采用有限元软件PLAXIS进行模拟，采用莫尔—库仑模型模拟土体单元的本构关系，其支撑采用线弹性模型模拟，作用在地连墙上，采用线弹性模型模拟地连墙的本构关系。为了较好地达到PLAXIS软件分析与实测结果的吻合，通过对实测资料(实测轴力和地连墙侧向位移变化)的反复试算来调整土体的物理力学指标和地连墙刚度。

标准剖面分6步模拟基坑的施工过程，每步计算过程中同时考虑了地下水位的变化，即基坑的降水过程。各工况模拟计算的施工过程见图1。

图1 基坑的施工过程

2.2 4-4截面的各工况数值模拟

4-4剖面为车站基坑端头井部分，如图2和图3所示。开挖宽度为12.2 m，开挖深度17.6 m，采用明挖法边开挖边架设支撑。共有5道支撑，钢支撑采用φ609 mm厚16 mm的钢管，支撑间距如图3所示。坑内降水至基坑底部以下，坑外不降水。剖面各工况计算结果如下所述。

1)工况1:端头井处土体开挖至第1道支撑位置，并已布设第1道支撑。

图2 基坑平面布置

图3 围护结构4-4剖面(单位:mm)

由计算可知:连续墙水平最大位移值为0.163 mm，地表最大沉降值为11.33×10－6m，第1道支撑轴力为－40.36 kN，如图4所示。

2)工况2:端头井处土体开挖至第2道支撑位置，并已布设第2道支撑。

由计算可知，连续墙最大水平位移为1.865 mm，地表最大沉降值为0.256 mm，第1道支撑轴力为－130.68 kN，第2道支撑轴力为－346.58 kN，如图5所示。

3)工况3:端头井处土体开挖至第3道支撑底位置，并已布设第3道支撑。

由计算可知，最大位移值为4.674 mm，最大沉降值为0.861 mm，第1道支撑轴力为－240.36 kN，第2道支撑轴力为 －430.47 kN，第 3道支撑轴力为－180.61 kN。

图4 工况1

图5 工况2

4)工况4:端头井处土体开挖至第4道支撑底位置，并已布设第4道支撑。

由计算可知，最大水平位移为6.328 mm，最大沉降为1.654 mm，第1道支撑轴力为－118.66 kN，第2道支撑轴力为 －316.89 kN，第 3道支撑轴力为－476.35 kN，第4道支撑轴力为－423.56 kN，如图6所示。

5)工况5:端头井处土体开挖至第5道支撑底位置，并架设了第5道支撑。

由计算可知:最大水平位移8.358 mm，最大沉降2.136 mm，第1道支撑轴力为－103.56 kN，第2道支撑轴力为－324.68 kN，第3道支撑轴力为－543.68 kN，第4道支撑轴力为－506.97 kN，第5道支撑轴力为－880.13 kN，如图7所示。

图6 工况4

图7 工况5

3 结语

该基坑工程位于饱和淤泥质软土地层中，地下水较丰富，土体强度低，采用地下连续墙作为围护结构，采用4～5道φ609 mm钢管支撑，形成刚度较大的支护体系。采用PLAXIS有限元软件进行数值模拟，结果表明，地下连续墙位移、地表位移及钢支撑轴力等均满足设计要求，且整体效果较好。

数值模拟结果显示:①基坑围护结构的最大侧移为基坑开挖深度的0.1% ～0.6%，平均值为0.3%。围护结构侧向变形形态为深层凸鼓形，围护结构顶部和底部侧向变形较小，围护结构最大侧移点深度一般位于开挖面以上1.5 m至开挖面以下7 m范围。②最大地表沉降为开挖深度的0.05% ～0.70%，为围护结构最大侧向变形的0.4～1.0倍。围护结构侧向变形与地表沉降均随着开挖深度的增加线性增大，开挖至坑底后两种变形几乎不再增加。

总之，通过PLAXIS软件模拟基坑开挖过程，能基本反应基坑变形及破坏的规律，对以后类似的基坑开挖有一定的指导作用。但在实际的施工过程中，基坑的变形及支撑轴力的变化受到外界环境因素影响较大。基坑周围的过度堆载、车辆通行、不对称堆载都有可能导致基坑周围地表沉降增大、地下连续墙位移增加、钢支撑轴力增大等情况，对基坑的稳定不利。

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