基于PLAXIS的地铁车站深基坑开挖的数值模拟研究

GXF360 2017-06-22

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基于PLAXIS的地铁车站深基坑开挖的数值模拟研究

王观林

本文运用岩土工程二维有限元软件 PLAXIS 进行雪象北站地铁车站深基坑模拟分析，研究不同工况下基坑土体及两侧支护结构的变形及内力，分析其稳定性，为明挖法超深基坑的围护结构设计提供了一定的工程经验。

一、本构模型

1.Plaxis 软件介绍

PLAXIS最初是由荷兰代尔夫特技术大学研制的功能强大的通用岩土有限元计算软件，它可应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析中，用户可以根据实际情况定义计算过程，输出阴影图、矢量图、结构物的变形及内力图等计算结果，便于直观地了解计算问题的应力、应变、位移、安全系数等。PLAXIS软件提供两种节点单元，包括15节点单元和6节点单元。15节点单元质量高，计算精度高，对于复杂问题计算更符合实际，而6节点单元要比15节点单元节省时间，模拟简单的问题可采用6节点单元。

2.Hardening—Soil（HS）模型

Potts指出，采用应变硬化模型来模拟基坑开挖问题能较好地预测基坑变形的情况。本文拟采用此模型对雪象北站地铁深基坑工程进行模拟分析。

HS硬化土模型的屈服面在主应力空间中是不固定的，由于塑性应变的发生而膨胀，可以模拟包括硬土和软土两种不同类型土体。它使用的是塑性理论，并且考虑了土体的剪胀性，引入了一个屈服帽盖，采用摩尔－库伦破坏准则。同时，它可以考虑初次加载、卸载、再加载时土体模量的不同。相对于摩尔库伦模型更能真实的模拟基坑开挖过程。

二、工程概况

1.基本资料

雪象北站是深圳市城市轨道交通10号线工程的第十六座车站，本车站为明挖地下三层岛式双停车线车站，标准段为单柱双跨结构，附属采用单层外挂。车站有效站台中心里程Y（Z）DK18+612.60，长度约598m；车站标准段线间距14.7m，标准段宽度20.9m，车站有效站台长度186m。车站西端设置矿山法出土孔，东端设置盾构始发井。

车站主体围护结构采用1000mm厚地下连续墙+内支撑的形式。钢筋混凝土支撑梁截面尺寸为0.8m×1m，内支撑采用竖向4层+1层换撑。基坑设置第3道内支撑为=800mm，t=20mm的钢管支撑，其余支撑均采用=600mm，t=16mm钢管支撑，标准段部分第2、3道撑采用钢筋砼支撑；西段扩大段及东端盾构井段各层支撑轴力较大均，采用钢筋砼支撑，第5层支撑（倒撑）采用=600mm，t=16mm钢管撑。其中支撑采用C30混凝土，地连墙采用C35混凝土，钢管撑采用Q235钢。

2.地质条件

根据初步地质勘察成果，地层主要由第四系全新统人工堆积层（Q4ml）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl），第四系上更新统坡积层（Q3dl），残积层、燕山期花岗岩。根据工程地质勘察报告及有关资料，将标准段覆盖土层简化为以下6层：第①层为素填土，层厚4.5m;第；②层为砾质黏土,层厚3.6m；第③层为块状强风化花岗岩，层厚1m；第④层为全风化花岗岩，层厚6m；第⑤层为砂土状强风化花岗岩，层厚11.2m；第⑥层为微风化花岗岩，层厚30m。

三、数值模拟分析模型的建立

由于雪象北站地铁基坑开挖狭长，本次数值模拟选取基坑标准段进行分析。车站深基坑建设一倍于开挖深度影响范围比较明显，所以一般土体的计算深度取基坑开挖深度的3倍，计算宽度自开挖边界向外取开挖深度的2倍，由此建立的二维模型取宽度为190m，深度60m，模拟的基坑宽度为23m，深度为26.6m，地连墙深度为35.5m，地面超载按20KN/m2考虑。

1.计算模型

计算采用15节点单元模拟土体，设置为轴对称平面变形问题，用板单元进行模拟地连墙，点对点的锚杆单元模拟内支撑，基坑安全等级为一级，为得到理想的计算结果，将网格划分精度选择很细程度。根据该基坑的特点，对位移边界条件假定为：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。

2.计算工况

根据施工方案设置模型开挖的工况分为6个施工阶段：

（1）添加荷载与施工地连墙。

（2）开挖第一层土体1.7m厚至第1道支撑底位置，施工钢筋混凝土支撑。

（3）待第 1道支撑强度达到要求强度后开挖第一、二层土体7.25m至第2道支撑底位置，浇筑第2道钢筋混凝土支撑。

（4）开挖第三、四、五层土体8.5m厚至第3道支撑底位置，浇筑第3道混凝土支撑。

（5）开挖第五、六层土体4.8m厚至第4道支撑底位置，浇筑第4道混凝土支撑。

（6）开挖第六层土体4.9m厚至基坑底部，浇筑混凝土底部并施工部分侧墙，拆除第4道撑，施工第5道倒撑。

对上述工况进行计算可以得到在开挖深度不同的情况下，基坑两侧支护结构的水平位移和内力以、支撑轴力及土体竖直位移的变化情况。

四、数值模拟结果分析

该地铁车站基坑在开挖过程中的变形主要集中在基坑开挖一倍的范围内，主要是基坑周围土体产生沉降，基坑底部由于应力释放产生隆起，两侧产生相基坑内部的水平位移，总体位移为13.68mm，约为基坑开挖的0.051%，根据本地铁车站基坑开挖的监测方案，地表变形和墙顶水平位移控制值为0.3%h或30mm的较小值，墙体水和土体测变形控制值为0.25或30mm的较小值，变形在控制范围内，基本符合基坑开挖变形的规律。

1.水平位移特征

从图1中可以看出，在各个工况下，地下连续墙的最大变形随开挖深度的增加而增加，开挖至基坑底部时，地下连续墙的变形达到最大值20.83mm，约为基坑开挖深度的0.078%，变形量在可控范围内。第一步开挖后，地下连续墙最大位移在8mm左右，第二步开挖后，地连墙的最大变形值增大至9.74mm，最大值点下移。后几步开挖最大值点均在第三道支撑处附近，约17mm，下移趋势不明显，但是最大水平位移增大。

图1 各工况下地下连续墙水平位移

2.竖直位移分析

图2为雪象北站地铁基坑开挖完成后，竖直位移的阴影图，表1为个工况下土体的最大竖向位移。根据图表可得：

（1）土体原有的应力平衡不断打破并重分布并不断达到新的动态平衡，继而产生不均匀沉降。

（2）由于围护墙和内支撑的作用，在坑壁产生的沉降并非最大值。其呈现的趋势为：距坑壁的距离越远，基坑的竖向位移是先不断增加，最大值位于坑壁外约18.5米处。之后，离坑壁的距离继续增加，周边环境沉降变形逐渐减小，最后一步拆撑后沉降又增加。围护墙外侧土体沉降较小，且在水平方向上，距离坑壁90m处仍有沉降发生，验证了在基坑开挖深度约2～3倍处仍受到影响。

图2 基坑开挖完成后土体竖向位移云图

（3）坑内土体出现明显的回弹现象，中部隆起最大达到16.03mm。基坑内部土体回弹是由于土体的分层开挖导致基坑内土体不断的卸荷，同时坑外土体对墙体不断施加土压力，并不断向坑内发生塑性位移引起的。

（4）土体的最大沉降不断增大，随着基坑开挖的深度增加，沉降不断积累达到最大值12.96mm，坑底隆起量在开挖第二阶段后迅速增大，随后隆起量增大不明显甚至减小，这是由于钢支撑和围护墙，并且基坑中下部均是力学性质较好的花岗岩所致。沉降量、隆起量最大值约为基坑开挖深度的0.048%、0.060%，变形在基坑设计要求范围内。

各工况下最大数值位移表

3.内支撑轴力分析

根据统计数据可知，每一道支撑在施工完成后，在下一步开挖完以后，轴力增大两倍左右，随着基坑的继续开挖慢慢增大。但是第一道支撑轴力在第二开挖后，轴力缓慢减小，这是由于后几道支撑的完成，第一道支撑不再是主要受力构件，承受的轴力较小。开挖第五步至基坑底部，第五道支撑承受轴力最大，达到1459KN/m，符合基坑设计要求。