所属栏目：应用电子技术论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:159
副标题#e#
摘要：在深基坑开挖时，由于地层参数的不确定性和复杂性以及建立地层本构时的种种简化，支护结构的实际变形特特征和理论变形特征往往存在较大差距。本文以上海某深基坑为例，利用PLAXIS软件对深基坑进行了开挖与支护模拟，通过计算得出不同开挖阶段的地下连续墙的水平位移，并与实际监测数据比较，为工程设计与施工提供参考。
关键词：PLAXIS，深基坑，数值模拟，水平位移
Application of PLAXIS to simulate supporting system deformation of deep excavation
Abstract: Due to the uncertainty and complexity of the stratum and the simplification of mechanical model, the actual deformation of the supporting structures obviously differs from the theoretical deformation. In this paper, based on one deep excavation in Shanghai, horizontal displacement of diaphragm wall is calculated by PLAXIS in different excavation stage, and the data is compared with actual monitoring data, and provide reference for relative engineering.
Key words: PLAXIS,deep excavation, numerical simulation, horizontal displacement
1 前言
随着城市建设的飞速发展，深基坑工程向规模更大、深度更深的方向发展，深基坑开挖与支护问题已经成为建筑工程界的难点和热点问题之一[1]。另一方面，深基坑工程的设计理论和施工技术日益进步，不但涌现了多种符合我国国情的实用的深基坑支护方法，而且，使得深基坑工程的设计理论、计算方法得到不断改进，施工工艺得到长足进步。由于深基坑工程中的围护结构变形是引起深基坑工程事故的主要因素，如何有效的控制深基坑工程中围护结构的变形以确保工程施工安全己
成为人们的共识[2]。本文结合有限元分析方法，采用PLAXIS软件对上海某深基坑不同开挖阶段的的围护结构位移进行了计算分析，并与实际监测数据进行了比较。对于检验深基坑设计理论和方法的正确性，指导现场施工有实际意义，并起到优化施工和避免事故发生的目的。
2、深基坑开挖的有限元模拟
2.1 数值计算模型[3]
该深基坑在平面上为圆形结构，考虑到结构的几何特征和计算时间，数值模拟中采用了平面轴对称的计算模式。
该深基坑的半径为12.3m，开挖深度约31m，数值模拟中以圆形基坑的中心轴线为对称轴，数值计算中充分考虑基坑开挖的影响范围建立计算模型，模型尺寸为水平方向上取4 （ 为基坑的开挖半径），深度方向上为2.6 ( 为基坑开挖深度)，计算模型如图1所示。
数值模拟中土体、混凝土垫层及底板采用平面16节点等参单元；为了得到地下连续墙及基坑内衬的弯矩变化情况，地下连续墙及内衬采用梁单元来模拟；此外，为了考虑地下连续墙与周围土体之间的共同作用，在墙体和土体之间设置了接触单元，根据具体施工工艺，地下连续墙及内衬之间没有添加接触单元。
计算中地下水位按照实际地下水位考虑。
2.2 边界条件
基坑开挖过程中，由于考虑了地下水的作用，因此，数值模拟中的边界条件包含位移边界条件和排水边界条件两种。
（1）位移边界条件
数值计算中由于采用轴对称计算模式，因此，地表为自由边界#p#副标题#e#条件；模型左右两侧边界的侧向位移限制为零，竖向自由；模型底部边界的竖向位移和水平位移均限制为零。
（2）排水边界条件
数值计算中地表、左侧边界及底部边界保持为静水压力，由于采用了轴对称计算模型，因此其右侧边界认为是不透水边界。
2.3 数值模拟工况
数值模拟中的计算工况根据基坑的实际开挖顺序确定，具体计算工况如下：工况1：初始工况，计算土体的自重应力场，但不考虑土体在自重应力场作用下产生的位移场；工况2：第一次土体开挖，开挖深度范围为：－1.2m~－4.35m；工况3：浇注混凝土圈梁；工况4：第二次土体开挖，开挖深度范围为：－4.35m~－10.35m；工况5：浇注内衬；工况6：第三次土体开挖，开挖深度范围为：－10.35m~－16.35m；工况7：浇注内衬；工况8：第四次土体开挖，开挖深度范围为：－16.35m~－22.35m；工况9：浇注内衬；工况10：第五次土体开挖，开挖深度范围为：－22.35m~－28.35m；工况11：浇注内衬；工况12：第六次土体开挖，开挖深度范围为：－28.35m~－32.35m；工况13：建筑垫层、底板并完成所有的基坑施工。
以上各工况在数值计算中是连续的，也就是说，基坑开挖过程中，各工况中基坑的位移和受力是逐次累加的，也就是说，前一工况计算得到的位移和应力作为下一工况的位移和应力初始值。
2.3 计算参数
数值模拟中的计算参数主要包括土体、地下连续墙、内衬、垫层、底板以及圈梁的物理力学参数。
在土体的模拟中按照实际的土体分层情况来模拟，土体在基坑开挖过程中采用莫尔－库仑弹塑性模型来模拟，选用莫尔－库仑弹塑性准则主要从以下两点考虑出发：一是土体由于受到基坑开挖的扰动而实际上已经表现出塑性状态，二是地质勘查报告提供的物理力学参数比较适合采用莫尔－库仑弹塑性模型，而且莫尔－库仑弹塑性在土体中的应用相对比较广泛和适用。基坑首次开挖时采用的土体的物理力学参数参照《地下连续墙设计总说明》，如表1所示，其中 、 值采用固结不排水剪强度。
而其他结构包括地下连续墙、内衬、垫层、底板以及圈梁等，由于其刚度较大，而本次基坑开挖中的位移、变形相对较小，因此，认为上述这些构件在基坑开挖过程 
中仍处于弹性状态，因此，数值模拟中采用弹性模型来模拟他们的变形和受力特征，其物理力学参数包括弹性模量 和泊松比 ，具体如表2所示。
3 数值模拟结果分析
在该深基坑监测过程中，围护墙体侧向位移的监测结果相对比较完整，因此，在数值分析方面，也从连续墙体位移随基坑开挖的变化对基坑在不同开挖深度和工况条件下的稳定状态进行分析。
3.1基坑连续墙体位移随基坑开挖的变化
考虑到基坑开挖采用了地下连续墙的围护方式，在工况1中基坑开挖引起的墙体位移比较小，因此，在位移计算分析中从工况2开始。以1号测孔为例，数值计算结果和实测结果的比较如图2～图5所示。
但是当基坑开挖至-16.35m时，仅9月16日至9月17日一天内，围护墙体位移向相反方向变化了近60mm，由于实测数据的巨大变化，致使计算值和实测值之间必然产生较大的误差，因此，对于工况5中基坑开挖至－16.35m时，将不对计算结果和现场实测数据进行比较。
从图2可以看出，当基坑开挖至－10.35m时，除墙顶位移出现一定的偏差外，计算结果和实测结果还是相当吻合的。
对比图3中现场实测值和数值模拟结果可以发现，但基坑开挖至-22.35m时，由于实测值之间的波动，使得数值模拟结果和实测值之间出现一定的误差，数值模拟结果在开挖面以下位移偏大，而开挖面以上部位，计算得到的墙体位移又偏小，但总的来说，计算值反应了墙体位移在发展规律和发展程度上的平均水平。
从图4可以看出，随着基坑开挖深度的增加，计算值和实测值之间的误差也有所增大，尤其在#p#副标题#e#基坑围护墙顶，计算值出现偏小的趋势。
当基坑开挖至－32.085m时，对比图5可以发现，在开挖面附近计算值和实测值之间出现一定的误差，数值模拟得到的墙体位移偏大，而在墙顶部位，位移计算值和实测值还是比较吻合的。
4 结论
综上所述，据所建的模型计算表明，PLAXIS比较好地模拟基坑开挖的变形，对深基坑支护设计的验证提供了一种简便适用的方法，为深基坑支护工程的设计施工提供了有效依据，必将给工程技术人员在解决岩土工程问题时提供新的思维和方法。对比各开挖深度条件下，现场实测结果和数值模拟结果可以发现：
1、PLAXIS能够很好地对基坑分步开挖和支护进行模拟，而且它自带的摩尔一库仑弹塑性模型，能很好地反映土的特性。数值模拟作为一种围护墙体位移的预测手段，基本上反应了位移发展规律和发展程度，对基坑位移的发展起到一定的预测作用。
2、由于数值模拟中不可能完全考虑基坑开挖中的各种影响因素的作用，因此，在数值模拟中对基坑围护墙体位移的模拟还存在一定的误差。
参考文献：
[1] 愈建霖，龚晓南．深基坑工程的空间性状分析[J]．岩土工程学报，1999，21(1)：21-25．
[2] 侯学渊，刘国彬，黄院雄．城市基坑工程发展的几点看法[J]．施工技术，2000，29(1)：5-7．
[3] 王江宏，王春波，卢广宁. PLAXIS在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用[J]．山西建筑，2007，33(35)：30—31．