李 勇

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司發(fā)電工程分公司，山西 太原 030001)

基于PLAXIS的某深基坑開挖與土釘支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬

李 勇

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司發(fā)電工程分公司，山西 太原 030001)

以霍州市某基坑工程為例，運(yùn)用PLAXIS軟件對(duì)深基坑開挖與土釘支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得到了土釘支護(hù)條件下基坑變形特征和開挖過程的安全性系數(shù)，對(duì)類似工程設(shè)計(jì)和信息化施工的實(shí)施有一定的參考價(jià)值。

PLAXIS軟件，基坑支護(hù)，安全系數(shù)，數(shù)值模擬

1 工程概況及基坑周圍環(huán)境分析

霍州某發(fā)電廠4號(hào)運(yùn)煤皮帶自2號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站起斜向15°連接至3號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站，為輸煤系統(tǒng)的樞紐工程，本次施工部分為4號(hào)運(yùn)煤皮帶地下廊道部分。周邊地形特征：基坑西側(cè)距離基礎(chǔ)邊約24 m，為一條原廠區(qū)道路，馬路標(biāo)高約11.4 m，比4號(hào)廊道自然地坪+6.0 m高5.4 m，馬路東側(cè)有原片石擋土墻護(hù)坡，馬路向西方向長(zhǎng)度約16 m；基坑北側(cè)為2號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站，已開挖至-6 m，且2號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站開挖時(shí)采用鋼筋混凝土筒壁支護(hù)，2號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站西側(cè)邊坡采用了土釘支護(hù)；基坑?xùn)|側(cè)在卸煤溝開挖時(shí)已開挖至約-6.0 m，采用天然放坡即可滿足邊坡穩(wěn)定。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

1)地基土分布情況。根據(jù)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院《巖土工程勘測(cè)報(bào)告F1981S—G0116》得知，4號(hào)廊道土質(zhì)自上而下分布情況分別為：雜填土、泥巖、石灰?guī)r，局部有溶洞及充填物。本基坑開挖深度影響范圍內(nèi)各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

本模型中，土層①：雜填土(0 m～-8 m(-9.5 m))，土層②：泥巖(-8 m～-24 m)，土層③：砂巖(-24.5～-40 )，u= 0.3。

2)地下水條件。開挖時(shí)需采取降水措施。對(duì)應(yīng)模型中基坑外側(cè)水標(biāo)高-14.00 m，基坑內(nèi)側(cè)降水后水標(biāo)高-22.00 m。

3 基坑支護(hù)方案說明及方案特點(diǎn)

1)邊坡支護(hù)方案選擇。

本基坑西側(cè)不具備放坡條件，臨近基坑邊無重要建筑物、無深基坑建筑物和地下管線。根據(jù)“安全、經(jīng)濟(jì)、方便施工”的原則，并考慮到施工工期，決定采用土釘墻支護(hù)方案。

2)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)。

因基坑開挖深度較深，西側(cè)上部又有荷載，地下水位高，基坑開挖時(shí)有滑移的危險(xiǎn)，故基坑開挖時(shí)西側(cè)邊坡采用土釘噴錨支護(hù)。豎向與水平間距均1.0 m?；游鱾?cè)支護(hù)深度為20.5 m。土釘選用HRB335級(jí)鋼筋，混凝土面層鋼筋網(wǎng)片的鋼筋網(wǎng)主筋，即與土釘相交的水平和豎向鋼筋均采用2根HRB335級(jí)φ20鋼筋(雙向@1 000)；鋼筋網(wǎng)片主筋之間和坑底面層鋼筋網(wǎng)片采用HPB235級(jí)φ8鋼筋、水平間距200 mm、豎向間距200 mm；每個(gè)土釘必須與面層鋼筋網(wǎng)片焊接牢固。噴射混凝土面層強(qiáng)度等級(jí)為C20，混凝土面層厚度100 mm，基坑頂部噴射混凝土水平長(zhǎng)度不小于1.0 m。因本工程有地下水存在，在-8.5 m以下，噴射混凝土面層時(shí)按水平間距3 m、豎向間距3 m留設(shè)一個(gè)DN50 PVC管泄水孔，總體呈梅花形狀布置?；又ёo(hù)典型剖面圖如圖1所示。

3)降水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本工程地理位置東側(cè)緊挨汾河，地下水位高，涌水量大，開挖基坑時(shí)必須降低地下水位至基底2 m以下時(shí)，方可開挖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，2號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站基底比4號(hào)廊道最深處低4 m，開挖4號(hào)廊道時(shí)在基坑兩側(cè)修筑臨時(shí)排水渠，將地下水引入2號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)。

4 基坑有限元模擬

本模型采用二維有限元程序PLAXIS 進(jìn)行數(shù)值模擬。土體本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則；板單元模擬混凝土面層；格柵單元模擬土釘；Interface單元模擬混凝土面層和土體接觸部位的相互作用。模型中界面強(qiáng)度折減因子取為0.7。土體網(wǎng)格采用15節(jié)點(diǎn)的三角形單元(2D)，模型尺寸104 m×40 m。建模時(shí)邊界條件為地下水位位于開挖面以下2 m，左右邊界X向位移為0，底部邊界X，Y方向位移均為0。工況一考慮地面車輛荷載加載：原廠區(qū)道路過重車和施工荷載，施加均布線荷載120 kN/m。工況二不考慮地面車輛加載，僅考慮施工荷載：施加均布線荷載5 kN/m。

在計(jì)算過程中較仔細(xì)地模擬了其基坑開挖及土釘和護(hù)坡面層建造的過程,并用Mohr-Coulomb模式來描述土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以考慮土的軟塑性?；炷磷o(hù)坡面層,厚100 mm,取Ec=2×107kPa,則有EI=1 666 kN·m2,EA=2×106kN(每延米值),注漿孔徑為150 mm,取EA=6.47×105kN(每延米值)，對(duì)應(yīng)土釘為3D25。計(jì)算步驟為:1)選擇重力加載，生成土層初始應(yīng)力；2)重置位移為0，施加坑邊地面荷載120 kN/m(10 kN/m),荷載作用寬度16 m；3)開挖至-2 m深度,設(shè)置第一層、第二層土釘及護(hù)坡混凝土面層,采用重復(fù)步驟開挖共10步開挖到-20 m，第11步開挖到坑底-20.5 m。

模擬結(jié)果分析：

1)開挖過程安全性分析。

巖土工程定義的安全系數(shù)為結(jié)構(gòu)具有的承載力/承受荷載所需要承載力。不同于通常結(jié)構(gòu)定義的安全系數(shù)(極限荷載/工作荷載)。對(duì)每一步施工后選擇強(qiáng)度折減phi/c法計(jì)算。計(jì)算結(jié)果得到的∑-Msf見表2。

表2 整體安全系數(shù)(∑-Msf)與開挖深度關(guān)系表

由圖2～圖5可知，土釘支護(hù)大大提高了基坑開挖的安全性。土釘?shù)恼w性和剛度導(dǎo)致土體中應(yīng)力擴(kuò)散。土釘受拉力后，一方面減少了土釘加固范圍內(nèi)本該由土體承受的剪力，另一方面通過增加剪切面上的正應(yīng)力提高了土體的抗剪強(qiáng)度，從而導(dǎo)致土體潛在最危險(xiǎn)滑動(dòng)面(連通的塑性區(qū)域)的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致土體的穩(wěn)定性提高了。圖4和圖5中明顯看出本工程潛在滑動(dòng)面都在土釘加固土體范圍外，土釘計(jì)算參數(shù)選取合適。邊坡的破壞形式有三種：a.內(nèi)部破壞，破壞面穿過加筋土體；b.外部破壞，破壞面未穿過加筋土體；c.混合破壞，既有內(nèi)部破壞又有外部破壞。正確確定加勁土體潛在破裂面的位置很重要。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范一般規(guī)定0.3H破裂面為簡(jiǎn)化計(jì)算破裂面，圖1中的圓弧滑動(dòng)面(7.074 m)為依據(jù)JGJ 120—99建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程計(jì)算土釘墻整體穩(wěn)定性采用的滑動(dòng)面?！督ㄖ又ёo(hù)技術(shù)規(guī)程》土釘墻整體穩(wěn)定性驗(yàn)算公式6.2.1中均未體現(xiàn)出土釘強(qiáng)度與長(zhǎng)度以及軸向拉伸剛度等參數(shù)對(duì)潛在滑動(dòng)面位置等計(jì)算結(jié)果的影響。而PALXIS強(qiáng)度折減法能考慮土釘參數(shù)的影響。本工程中土釘剛度較大，筋材未被拉斷和拔出，加筋土體內(nèi)部沒有失穩(wěn)，故滑動(dòng)破裂面在加固土釘外側(cè)，屬于外部破壞。按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》得出滑動(dòng)面屬于內(nèi)部破壞。通過比較得出，在土釘未被拉斷的情況下，計(jì)算破裂面取0.3H是否合理有待進(jìn)一步研究。強(qiáng)度折減法找到的圓弧滑動(dòng)面更準(zhǔn)確些。

有支護(hù)工況二條件下，降低土釘?shù)膭偠葏?shù)EA，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)由1.57降到1.49。降低土釘?shù)拈L(zhǎng)度為原來一半，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)由1.57降到1.34。有支護(hù)工況一條件下，降低土釘?shù)拈L(zhǎng)度為原來的0.7倍，安全系數(shù)由1.35變?yōu)?.98(見圖6，圖7)。驗(yàn)證了土釘?shù)膮?shù)對(duì)土體潛在最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置和安全系數(shù)的影響。

2)開挖支護(hù)完成后位移及內(nèi)力分析見圖8～圖11。

由以上圖和分析可以得出：

1)開挖深度20.5 m時(shí)，土釘最大軸力59.21 kN/m，算得土釘最大軸力約350 kN。土釘采用HRB335鋼筋，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為300 N/mm2，則鋼筋面積為350 000/300=1 166 mm2，采用3D25 mm(面積為1 471 mm2)；土釘所受力分布大致是三角形，在接近面層處達(dá)到最大，在自由端減小為0。對(duì)一定的開挖深度，不同水平土釘?shù)淖?/p>

大軸力大約相同(即土釘軸力分布圖上三角形的面積大約相等)。 2)坑壁最大水平位移為17.67 mm，小于0.3%H，發(fā)生在頂部。較大的水平位移發(fā)生在邊坡頂部和中下部，底部土體水平位移最小。實(shí)際施工過程中觀察到的水平位移為19 mm，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較接近，滿足規(guī)范要求。3)面板最大軸向力136.57 kN/m，面板最大剪力56.66 kN/m，面板最大彎矩24.5 kN·m/m。

5 結(jié)語(yǔ)

由數(shù)值模擬的結(jié)果看出，土釘支護(hù)在本基坑開挖中穩(wěn)定性和變形均滿足設(shè)計(jì)要求。說明對(duì)于場(chǎng)地深基坑開挖放坡受到限制的情況下，采用放坡開挖與土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支護(hù)方案是經(jīng)濟(jì)合適的，節(jié)約了工程造價(jià)，也節(jié)省了工期，同時(shí)能滿足安全要求。

[1] 鄭 剛,顧小魯.高等基礎(chǔ)工程學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2] 龔曉南,宋二祥.基坑工程實(shí)例.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

The numerical simulation of deep foundation pit excavation and soil nailing support design based on PLAXIS

Li Yong

(PowerEngineeringBranch,ShanxiElectricPowerSurveyDesignInstituteLimitedCompany,China’sEnergyConstructionGroup,Taiyuan030001,China)

Taking a excavation engineering in Huozhou as an example, this paper made numerical simulation calculation using PLAXIS software to deep foundation pit excavation and soil nailing support design, gained the safety coefficient of foundation pit deformation characteristic and excavation process under the soil nailing support design, had certain reference value for similar engineering design and informatization construction implementation.

PLAXIS software, foundation support, safety coefficient, numerical simulation

2015-09-13

李 勇(1984- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)33-0085-03

TU463

A