深基坑工程二維plaxis模擬

1、深基坑工程的二維 plaxis 模擬摘要 ：深基坑工程是一項(xiàng)涉及多個學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)工程，對于上海地區(qū)的復(fù)雜軟 土，基坑的前期模擬計算非常重要， 本文選用 plaxis 這種大型的綜合巖土軟件進(jìn) 行基坑開挖前的施工模擬， 探討有限元二維模擬基坑開挖的方法及意義。 并對進(jìn) 一步應(yīng)用到實(shí)踐中提出一些意見 。關(guān)鍵詞 ： plaxis 有限元法 深基坑 開挖 支護(hù) 中圖分類號 :TU 4631 前言基坑工程是一項(xiàng)綜合技術(shù)性很強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)工程， 它涉及巖土、 結(jié)構(gòu)、水文 地質(zhì)、工程地質(zhì)等多個學(xué)科， 雖然它是一項(xiàng)臨時性工程， 但其造價約占整個工程 投資的三分之一。 目前對深大基坑項(xiàng)目，在未開挖之前要進(jìn)行反復(fù)

2、的驗(yàn)算，以 保證基坑的安全性， 由于基坑工程涉及范圍很廣， 從支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計到坑內(nèi)外土 體變形的控制， 再到周圍建筑和地下管線不均勻沉降的控制， 以及地下水控制等 等。這些問題在以往的模擬計算中都作了不同程度的簡化， 對結(jié)果都有一定的影 響。利用 plaxis 有限元軟件可以進(jìn)行深基坑的開挖模擬， 不僅可以計算支護(hù)結(jié)構(gòu) 的內(nèi)力和變形， 也可以考慮地下水的抽降， 以及基坑周圍土體和建筑物的變形情 況，與實(shí)際工程符合較好。2 基坑開挖的二維模擬方法2.1 plaxis 軟件簡介Plaxis 研制開始于 1987 年，由荷蘭的公共事業(yè)與水資源管理部委托 Delft Technical Univers

3、ity，初始目的是為了進(jìn)行建立在軟土上的河堤分析。此后， PLAXIS 一直不斷發(fā)展，直到今天，已經(jīng)成為一種功能強(qiáng)大的專門針對巖土工程 中變形與穩(wěn)定計算的有限元分析軟件。 由于 Plaxis 的不斷完善， 其強(qiáng)大的功能可 以模擬不同地下水流場， 不同的土層地質(zhì)條件， 不同的施工方法， 尤其有專門針 對于基坑開挖所適用的模塊和土體本構(gòu)模型。 因此，其針對本課題的分析結(jié)果是 科學(xué)可靠的。在土的本構(gòu)模型方面， plaxis 提供了多種模型，除了摩爾庫侖模型外，還 可以選用一種改進(jìn)的雙曲線塑性模型硬化土模型， 為了模擬正常固結(jié)軟 土與時間相關(guān)的對數(shù)壓縮性質(zhì)， 可以選用蠕變模型， 即軟土蠕變模型。 除此

4、之外， plaxis 還提供了用來分析節(jié)理巖石的各項(xiàng)異性行為的節(jié)理巖體模型。改進(jìn)的劍橋 模型，軟土模型等。2.2 模擬開挖的本構(gòu)模型選取plaxis 提供了多種本構(gòu)模型， 有理想塑性的 Mohr-Coulomb 模型 , 有各項(xiàng)異性 的節(jié)理巖體模型，各項(xiàng)同性的 Hardening-Soil 模型 以及軟土模型，蠕變模型 等等。各種模型的適用范圍不同， 不僅與土的性質(zhì)有關(guān)， 與工程的類型也有聯(lián)系。彈塑性 Mohr-Coulomb 模型包括五個輸入?yún)?shù)， 即：表示土體彈性的 E 和 ， 表示土體塑性的 ? 和c，以及剪脹角 。Mohr-Coulomb 模型描述了對巖土行 為的一種一階'近似

5、 1。這種模型被推薦用于問題的初步分析。對于每個土 層，可以估計出一個平均剛度常數(shù)。 由于這個剛度是常數(shù)， 計算往往會相對較快， 可以得到變形的一個初步印象。由于選用參數(shù)較少， Mohr-Coulomb 模型可以運(yùn) 用在地質(zhì)資料較少的一些工程中， 但其計算結(jié)果精確度較低。 由于不能考慮土體 開挖后的回彈，在模擬基坑開挖時不是太適合。Hardening-Soil model 是 一 種 改 進(jìn) 了 的 模 擬 巖 土 行 為 的 模 型 。 對 于 Mohr-Coulomb模型來說， 極限應(yīng)力狀態(tài)是由摩擦角 ? 、粘聚力 c 以及剪脹角 來描述的。 但是，采用三個不同的輸入剛度可以將土體剛度描述

6、得更為準(zhǔn)確： 三 軸加載剛度 E50 、三軸卸載剛度 Eur 和固結(jié)儀加載剛度 Eoed 。我們一般取 Eur 3E50和 E50 Eoed作為不同土體類型的平均值，但是，對于非常軟的土或者非常硬的土通常會給出不同的Mohr-Coulomb 模型，Hardening-Soil 模型還可以用來解決模量依賴于應(yīng)力的情況。這意味著所有的 剛度隨著壓力的增加而增加。 因此， 輸入的三個剛度值與一個參考應(yīng)力有關(guān)， 這 個參考應(yīng)力值通常取為 100kPa。Hardening-Soil 模型適用于所有的土， 但是它不能用來解釋粘性效應(yīng)， 即蠕 變和應(yīng)力松弛 . 對于深基坑的開挖模擬，由于土層較多，分類復(fù)雜，

7、用適于某一 種土的模型很難準(zhǔn)確模擬， 考慮到基坑開挖卸載后的回彈變形， 在不考慮蠕變和 應(yīng)力松弛等情況下， Hardening-Soil 模型是很適合做深基坑開挖降水的模擬的。 對于模型的一些詳細(xì)參數(shù)和介紹可以參考 Schanz, T., Vermeer2關(guān)于硬化本構(gòu) 模型的介紹，這里不再做詳細(xì)的介紹。2.3 二維模擬的剖面選擇Plaxis 是一個二維有限元軟件， 在進(jìn)行基坑的模擬計算時， 只能選取某個截 面進(jìn)行計算，對一些土層分布均勻的基坑可以選取隔水層或支護(hù)較薄弱的區(qū)域， 如果基坑為圓形或矩形，可以取多個剖面進(jìn)行計算，以最危險面作為計算依據(jù)。 為了充分利用鉆孔數(shù)據(jù)，可以在鉆孔處作剖面，以此

8、處土體做平均剖面。圖 1：某基坑的平面布置圖如圖 1 的某深基坑工程 , 長度約 100m，寬約 50m。為了進(jìn)行合理的模擬計算， 可以沿鉆孔位置取橫切面。 各邊取一到兩個剖面進(jìn)行二維計算。 下面選取一個靠 近地鐵的位置做一個平均剖面的模型，如下圖2。為了簡化計算 , 對這種對稱性的基坑采用對稱建模 , 取基坑的一半作為計算對象。其余作對稱處理 3。圖 2 基坑剖面建模（對稱建模）3 實(shí)例計算3.1 數(shù)據(jù)輸入與建模根據(jù)上面的實(shí)例，利用 plaxis 可以計算基坑開挖加撐等過程中，基坑各個方 面的變形和受力情況， 為設(shè)計的進(jìn)一步合理修正提供理論依據(jù)。 由圖二建立模型 土層參數(shù)如下表：表一 土性參

9、數(shù)土層名稱重度3(kN/m 3)()c (kPa)kh( cm/s)kv( cm/s)壓縮模量(MPa)雜填土19.119.233.5-64.37× 10-6-62.03×10-65.78潛水層粉土19.634.312.35.2× 10-4-53.7×10-58.34隔水層一粉質(zhì)粘土18.726.810.27.6× 10-7-76.5×10-74.77承壓層一粉土20.534.814.51.2× 10-3-64.85×10-69.84隔水層二粉質(zhì)粘土19.916.328.32.2× 10-7-7<1

10、.×10-75.84承壓層二粉土20.335.610.27.2× 10-4-41.82×10-413.73隔水層三粉質(zhì)粘土20.218.937.27.9× 10-7-77.9×10-77.18承壓層三粉砂20.433.512.54.14× 10-45.15×10-518.33圖3 模型的網(wǎng)格劃分模型采用平面 15 個節(jié)點(diǎn)三角形單元。 單元數(shù) 1258個，節(jié)點(diǎn)數(shù) 10601 個， 應(yīng)力點(diǎn) 15096 個 模型考慮降潛水及坑內(nèi)降承壓水時滲流場的影響，并考慮了坑 底工程樁，分六次降水開挖，承壓層減壓。模型的初始條件包括邊界條件。為

11、簡化計算，該例規(guī)定邊界為水平固定邊 界。模型底部邊界垂直向和水平向都固定。對承壓層和潛水層分別定義水位線。 初始定義結(jié)果如下圖：圖 4 定義初始條件3.2 基坑開挖的分步計算 在定義完初始條件后，可以根據(jù)基坑開挖的設(shè)計步驟，進(jìn)行開挖及降水的模 擬施工。本例中基坑采用跟蹤降水法， 隨著基坑開挖的進(jìn)行， 在開挖到一定深度 后，開啟減壓井減壓。 最終可以計算得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力情況以及基坑內(nèi) 外土體的沉降和隆起值。圖 5 基坑開挖到最后的整體變形網(wǎng)格圖圖 6 降潛水位的模擬（第一次降水后的飽和度云圖）圖 7 減壓井開啟后坑底承壓層水頭下降云圖（降壓模擬）圖 8 （ a）地連墻水平變形曲線及彎矩圖

12、b）基坑外 100m 范圍內(nèi)沉降及坑內(nèi)隆起4 結(jié)論（1）通過適當(dāng)?shù)倪x取截面，二維模擬基坑也可以達(dá)到很高的模擬精度，但是 由于土層剖面的進(jìn)一步簡化，在錯層較多的情況下，影響模擬計算的結(jié)果。（2）利用 Hardening-Soil 模型進(jìn)行基坑開挖的模擬， 反應(yīng)出了土體卸荷回 彈的特性， 用三個不同的輸入剛度可以將土體剛度描述得更為準(zhǔn)確。 在不考慮蠕 變和應(yīng)力松弛等情況下， Hardening-Soil 模型是很適合做深基坑開挖降水的模 擬的（3）利用 plaxis 二維軟件模擬深基坑開挖、加撐及降水的全過程，可以很 好的預(yù)測基坑施工過程中可能發(fā)生的各種變形， 可以預(yù)先模擬出基坑開挖對周邊 環(huán)境影響的大小， 特別是對深基坑承壓水處理的模擬上， 可以模擬不同降水方案 的最終效果，達(dá)到對降水設(shè)計的指導(dǎo)作用。參考文獻(xiàn)1 錢家歡，殷宗澤，土工原理與計算，中國水利水電出版社， 1996.52 Schanz, T., Vermeer, P.A., Bon