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1、第26卷第2期 2010年4月结 构 工 程 师 Structural EngineersVol . 26, No. 2 Apr . 2010收稿日期: 2009 - 07 - 15 3联系作者, Email: zhangrulinyahoo. cn基于PLAXIS的深基坑支护设计的数值模拟张如林1,3徐奴文2(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;2.大连理工大学建设工程学部岩石破裂与失稳研究中心,大连116024)摘 要 深基坑开挖和支护是岩土工程领域研究的热点和难点,如何通过有效控制其变形使基坑工程安全又经济,是人们不断探索的课题。以苏州地铁2号线某实际深基坑工程为研
2、究对象,运用有限元分 析软件PLAXIS对基坑开挖、 支护全过程进行了数值模拟,分析了基坑开挖深度、 支护结构刚度、 支撑刚 度、 土体参数等设计、 施工和自然环境因素对支护结构变形的影响,并给出一些控制基坑变形的方法与 建议,为深基坑工程的设计和施工提供了参考。 关键词 深基坑,弹塑性模型,支护,数值模拟Numerical Si mulation of Ti mbering Design of Deep Foundation Pits Based on PLAXISZHANG Rulin1XU Nuwen2(1. State KeyLaboratory forDisaster Reducti
3、on in Civil Engineering, TongjiUniversity, Shanghai 200092, China;2. Center for Rock Instability and Seis micity Research, Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Science and Technology,Dalian 116024, China)Abstract Excavation and support of deep foundation pit engineering is one
4、of pop and difficult problems inrock soil engineering . How to effectively control deformation of foundation pits and make foundation pitengineering safe and economical is the task that people always probe. On the ground of deep foundation pitretaining structure engineering in a station on Suzhou Me
5、tro Line 2, the numerical simulation by means ofelastoplastic finite element program PLAXIS was carried out for the process of excavation and supporting . Thefactors of design, construction and natural environment on effect of the deformation of timbering structureswerestudied, including the depth o
6、f excavation, the rigidity of ti mbering structures, the rigidity of braces andparameters of soilmass etc. Some methods and adviceswere proposed to control the deformation of foundationpits,which can offer some references for the design and construction of deep foundation pit engineering .Keywords d
7、eep foundation pit, elastoplastic model, timbering, numerical simulation1 引 言进入21世纪,中国经济迎来前所未有的大发 展,各大城市地铁建设也相继开动1。城市化进程使高层建筑和市政公用设施的建设数量和密度增 加,工程建设中深基坑的规模、 形式和数量都空前 发展2。大量兴建的高层建筑和地下工程必然带来大规模的基坑工程,深基坑开挖是基础和地下工程施工中一个综合性的岩土工程难题,既涉及土力 学中的强度、 稳定与变形问题,又涉及土体、 支护结 构的共同作用3。地铁施工变形关系到工程安全和周边土工环境维护和稳定4。调查显示,目前
8、深 基坑工程事故率仍然较高,事故原因也非常复杂。 由于在深基坑开挖现场难以对支护参数进行系统 的研究分析,而采用有限元数值模拟,可以较为方 便、 定性地确定各参数的关系,对基坑支护设计具 有较大的现实指导意义。本文以苏州地铁2号线某深基坑工程中的钻 孔灌注桩多支撑体系为研究对象,运用PLAXIS软 件详细分析了设计、 施工和自然环境因素对支护结 构变形产生的影响,得到了基坑开挖过程中基坑支护结构变形、 周围地层沉降的发展变化规律,可为 深基坑工程的设计和施工起到一定的指导作用。2 弹塑性分析理论2. 1 PLAXIS程序介绍PLAXIS程序5是由荷兰开发的专门用于分析岩土工程变形和稳定性的大型
9、有限元计算程序。该 程序界面友好,建模简单,能自动进行网格剖分,用 于分析土的本构模型有线弹性、 理想弹塑性模型、 软 土模型、 硬化模型和软土流变模型,可模拟施工步骤进行多步计算。该程序能够计算两类工程问题,即 平面应变问题和轴对称问题,能够模拟包括土体、 墙、 板、 梁结构,各种元素和土体的接触面,锚杆,土 工织物,隧道以及桩基础等。PLAXIS程序能够分析 的计算类型有变形、 固结、 分级加载、 稳定分析、 渗流计算,并且还能考虑低频动荷载的影响。2. 2 弹塑性本构关系在基坑开挖过程中土体内部会形成一定范围的 塑性区,基于此特点采用Mohr2Coulomb模型来模拟土的本构关系。 该模
10、型的屈服准则和流动准则如下:1)屈服准则 屈服准则用来确定开始出现塑性变形时应力 的大小,其一般形式为f (ij)= k ()(1)式中,k为材料参数,由试验确定,它是强化参数 的函数。Mohr2Coulomb屈服准则是Coulomb摩擦破坏 规律的推广,表示如下: f= c -tan(2) 式中,为正应力,拉伸时为正;c为黏聚力;为内摩擦角。2)流动准则VonMises提出的塑性位势理论,假设经过应力空间的任何一点,必有一塑性位势等势面存在, 其数学表达式称为塑性位势函数。塑性应变增量 可用塑性位势函数g (ij)对应力的微分表示:dp ij=d(9g /9 ij)(3)式中, d是比例常数
11、。式(3)称为塑性位势理论,它表明一点的塑 性应变增量与通过该点的塑性势面存在正交关 系,也确定了塑性应变增量的方向。2. 3 接触面单元模型在基坑的模拟分析中,支护结构与土体之间的 接触行为需要用接触面来模拟,具体方法6是:当 ntani+ci时,接触面处于弹性阶段;当 =ntani+ci时,接触面进入塑性阶段。这里,ci与i分别为第i层接触面的黏聚力和内摩擦 角。这两个指标与每个土层的力学指标相联系,在 程序中通过输入参数Rint er进行计算。算法如下:ci= Rint ercsoil(4)tani= Rint ertansoil(5)3 工程算例分析3. 1 工程概况苏州地铁2号线某地
12、下双层岛式车站基坑,平面为124. 7 m42 m,底板埋深为11. 8113. 624 m。标准断面处基坑深度为11 m,地下水 位位于地表下2 m处,土层物理力学参数及基坑 平面图见文献7, 8 。根据工程场地地质勘查资 料,基坑附近地层没有较大起伏。在计算中把围护桩等效成地下连续墙进行分 析。按等级本工程采用直径为900 mm的钻孔 桩,桩净距为1 200 mm,则等价后的地下连续墙 厚度为h,按两者刚度相等的原则可得(1/12)1 200h3= (1/64) 9004(6)得到h=685 mm。围护桩的钢筋混凝土假设为线弹性材料来考虑。 基坑支护桩外设置1排 700500 mm旋 喷桩
13、作为止水帷幕。设计2道Q235钢管支撑, 直径609 mm,壁厚16 mm。支护结构和钢管支撑 的计算参数见表1和表2。第1道支撑位于地表下1. 0 m处,第2道支撑位于地表下6. 0 m处,支 撑水平间距4 m。地面超载按照设计值20 kPa计 算,作用在距基坑2 m以外,宽度为10 m。 根据此基坑的实际尺寸,取土层边界为宽42m,深40 m。由于此问题为轴对称平面变形问题,在建立几何模型时只选模型的一半为研究对象即 可。并且根据此基坑特点,对位移边界条件作如下 假定:模型的左、 右边界水平方向位移为零;竖直方 向允许发生变形;下边界任意方向的变形为零。231Structural Engi
14、neersVol . 26,No. 2Foundation 表1支护结构计算参数表Table 1Calculation parameters of the supporting structure钢筋混凝土灌注桩(9001 200)旋喷桩(700500)每延米组合支护结构EA/kNEI/ (kNm- 2)EA/kNEI/ (kNm- 2)EA/kNEI/ (kNm- 2)1.911079.661051.151073.531052.2411076.231105表2钢管支撑计算参数表Table 2 Calculation parameter of the steel tube support钢管E
15、A/kNEI/ (kNm- 2)609,t =16mm纵向间距4.0m5.961062.621053. 2 计算模型计算时采用15结点三角形单元模拟土体;用 板单元模拟挡土墙;挡土墙两侧与土的接触面用10结点无厚度接触面单元模拟;横向支撑可以看作弹性杆件,确定计算模型和网格划分如图1、 图2 所示。网格划分精度选择中等粗糙程度,并对地下 连续墙及基坑底部附近的网格进行加密,这样既能 减少计算时间又能得到较为理想的计算结果。图1 计算模型Fig . 1 Calculation model图2 网格划分示意图Fig . 2 Sketch map of girddingmesh3. 3 数值模拟结果
16、与分析本工程在采取降水措施后进行施工,不考虑 孔隙水压,地下水位线默认为基坑底部。整个过 程分3个施工步进行开挖支护,每步定义为一个工况:第1步开挖深度为2 m;第2步在1. 0 m深 度处设置第一道横向支撑,并向下开挖5 m;第3 步在6. 0 m深度处设置第二道横向支撑,并向下 开挖4 m。各施工步围护桩水平位移计算结果如 图3所示。图3 各施工步围护桩水平位移Fig . 3 Horizontal displacement of the supporting structurein every construction step从图3可以看出,在第一次开挖之后,围护桩的水平位移的线型本应类似于均布荷载作用下悬 臂梁的位移曲线,但由于本工程第一次开挖较浅,而且属于软弱土层,在顶端的位移较小。第一次支撑之后进行第二次开挖,位移随深度的加大,围护桩顶端有所增大,达到9. 947 mm,呈上大下小 的
