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【摘 要】 本文首先对深基坑工程进行了概述，然后探讨了PLAXIS在深基坑开挖与支护数值模拟中的必要性，最后对PLAXIS在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用进行了分析。
【关键词】 PLAXIS；深基坑；开挖与支护
一、前言
新时期下，我国的深基坑开挖工程不断的壮大，开挖技术也取得了一定的成绩，但依然存在一些不足和需要改进的地方。在科技不断进步的新时期，加强对PLAXIS在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用，对我国深基坑开挖与支护工程的发展有着重要意义。
二、PLAXIS在深基坑开挖与支护数值模拟中的必要性
深基坑工程是一项系统工程，由于土体介质的复杂性和时效性以及支护方式和环境的多样性，故采用数值模拟有限元方法更能比较全面地从空间、时间上反映各种因素对支护结构及周围土体的应力、位移的影响。
在深基坑支护结构设计中，传统的静力平衡法、弹性抗力有限元法都是将桩土分开考虑，将土压力等其它外界荷载单独作为作用在桩体上的荷载，将桩作为梁考虑，不考虑桩土接触面及桩土的协调作用，弹性抗力有限元法虽能计算出桩身位移，但无法计算基坑周围地表及坑底变形，因此采用PLAXIS法进行基坑支护结构设计计算显得尤为重要。
三、支护设计基本原则
基坑支护结构选型应遵循“安全、经济、合理”的原则，安全不仅指支护体系本身安全，保证基坑开挖、地下结构施工顺利，而且要保证邻近建（构）筑物和市政设施的安全和正常使用。经济不仅是指支护体系的工程费用，而且要考虑工期，考虑挖土是否方便，考虑安全储备是否足够，应采用综合分析，确定该方案是否经济合理。方便施工也是支护体系的选用原则之一。方便施工可以降低挖土费用，而且可以节省工期、提高支护体系的可靠性。具体地说，就是要综合考虑基坑平面尺寸、基坑周边环境、场地工程地质与水文地质条件、施工季節、已有的施工机械设备、地区经验做法、施工便捷性、安全性要求、相应的行业规范和条例、经济性要求与社会效率等多种影响因素。
四、实例分析
1、工程概况
现用PLAXIS计算软件对现有工程进行不同支护方案进行数值模拟分析对比。该工程高层建筑地上29层，地下2层，共31层；钢筋混凝土框架一剪力墙结构，建筑长31.9m，宽27.0m，高113.1m，总建筑面积26700m2。基坑开挖深度为11m。基坑东部是307国道，周围是该小区1期住宅，环境比较复杂，邻近建筑多。根据场地地质条件情况，以东侧人工边坡一断面为例进行数值模拟分析，对纯土钉支护、纯预应力锚杆支护和预应力锚杆复合土钉支护三种方案进行对比。
2、工程地质水文概况
（1）场区地层分布如下：第①层为人工填土，该层物质成分杂乱，结构松散，均匀性差，呈欠固结状态。第②层：粉土，以粉土为主，湿，中密，具中压缩性，摇震反应中等，无光泽，干强度及韧性低。第③层：卵石，砂岩为主，中风化，中粗砂及粉土填充，中密一密实。第④层：碳质泥岩，泥质结构，块状构造，遇水软化，强风化，属极软岩。
（2）地下水：按底层结构判定场地首层地下水类型为孔隙潜水，以第③层卵石为主要含水层，主要由大气降水和侧向迳流补给。根据相关规范及地质勘察报告，选取基坑各土层所需计算参数，见表1
3、支护方案
（1）纯土钉支护方案。设置5排土钉，从第一层到第五层土钉长度依次为7、11、11、7、7m，每排土钉距上排土钉竖向间距为2m。土钉材料采用22螺纹钢，倾角为15°，钻孔直径110mm。面层喷射C20细石混凝土，厚度为100mm。图1为基坑纯土钉支护剖面图。
（2）纯锚杆支护方案。锚杆采用1×76Φ15.2强度等级为1860N/mm2的低松弛钢绞线，施加的预应力为120kN，锚孔直径150mm；第一、四、五排锚杆自由段长度为5m，锚固段长度为2m，第二排和第三排锚杆自由段长度为6.5m，锚固段长度为4.5m，其余同纯土钉支护方案。图2为基坑纯锚杆支护剖面图。
（3）预应力锚杆复合土钉支护方案。第一、四、五层设置土钉，二层和三层设置预应力锚杆，土钉、锚杆总长度不变，锚杆的自由段、锚固段长度不变，材料不变。图3为基坑复合土钉支护剖面图。
4、MIDAS/GTS模拟
（1）计算模型及参数
以东侧人工边坡一断面为例进行数值模拟分析，土体采用实体单元，本构模型选用Drucker—Prager模型。基坑开挖深度为l1m，三维计算模型的计算区域侧边界距坑壁约2倍坑深，底边界则自坑底15m，厚度取2m。计算参数见表1，网格划分见图4。
（2）模拟方案
该模型的开挖、支护模拟共分成五个步骤进行，纯土钉支护方案中：第一步基坑开挖2.0m，在距坑顶1.5m处设置土钉；第二步到第四步每步均开挖2.0m，每层土钉的设置与上一层土钉间隔2.0m；第五步开挖3in，最后开挖至-11.0m，设置土钉，与上一层锚杆间隔2.0m。
纯预应力锚杆支护方案、预应力锚杆复合土钉支护方案，基坑施工开挖步骤和纯土钉支护相同。通过软件的激活与钝化功能，实现基坑开挖步骤，计算得出数值模拟结果。锚杆结构的自由段采用MIDAS/GTS中的植入式桁架结构，锚固段采用桁架结构，土钉结构采用MIDAS/GTS中的桁架结构。
5、计算结果分析
（1）侧壁各测点水平位移分布
从图5中可看出，三种支护方案的最大水平位移发生在基坑的中上部，预应力锚杆复合土钉支护方案在基坑开挖到4m处，打入第一排锚杆，其水平位移从与纯土钉支护方案相似逐渐向纯锚杆支护方案相似靠近，这说明锚杆对减小基坑水平位移起决定性作用。
（2）侧壁顶点最大竖直位移分布 从图6可看出，两种支护方案基坑地表沉降值相差不大，都呈现先回弹后下沉的规律。这是由于随着基坑开挖，土体释放应力，当开挖较浅的时候土体自重小于回弹应力，所以呈现土体位移向上的趋势；继续开挖，土体自重大于回弹应力，土体位移向下。
（3）轴力分布
从图7可看出，土钉轴力沿土钉长度方向为先增加至最大值后逐渐减小，即在土钉中间部位轴力达到最大。说明土钉产生锚固效应的作用段位于土钉的中部，在土钉中部牵制前部土体的变形。第二排和第三排土钉受力较大，第一排土钉受力较小，由于第一排土钉位于抗剪强度较低的填土内，所能提供的锚固力有限。从图8可看出，随着第三排锚杆的加入，土钉受力急剧减小。土钉距锚杆越近，受锚杆预应力大小的影响越大，减小的幅度也越大。从图9可看出，锚杆在其自由段内，轴力基本相等，在锚固段，轴力沿长度递减分布。锚杆轴力随开挖步骤的增加而增大，这说明锚杆在其施加预应力以后的开挖步骤中，轴力在不断增大。预应力锚杆复合土钉支护方案中，不同工况第二排锚杆轴力也有类似的规律。
6、数值模拟分析总结
综上所述，经过对以上三种不同基坑支护方案进行PLAXIS数值模拟分析对比后发现：
（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。
（2）基坑墙后土体沉降随着基坑开挖深度的增加而加大，且最大沉降出现在墙后15m左右处。基坑底部隆起位移也是随着基坑开挖深度的增加而加大，基底中部的隆起量最大，为45mm，靠近坑边处较小。围护结构的变形水平位移分布出現中间大、两端小的情况，最大位移的位置位于开挖深度16m左右处。
五、结束语
通过对PLAXIS在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用问题分析，可以看出：数值模拟有限元方法更能比较全面地从空间、时间上反映各种因素对支护结构及周围土体的应力、位移的影响；可以对多种基坑支护方案进行内力、位移、经济等多方面的比选，从而优化设计。因此，在深基坑开挖与支护的后续发展中，要加强PLAXIS技术的应用，促进深基坑开挖与支护工程的发展。
参考文献：
[1]樊胜军，刘振江.某深基坑施工期围护结构变形监测与数值模拟分析[J].施工技术，2010（9）：82-84.
[2]高华东.北京某深基坑开挖监测实例[J].岩土工程学报，2012（28）：67-69.
[3]余志成，施文华.深基坑支护设计与施工[J].中国建筑工业出版社，2012（5）：91-93.
[4]俞建霖，龚晓南.基坑工程变形性状研究[J].土木工程学报，2009，（4）：20-21.
【关键词】 PLAXIS；深基坑；开挖与支护
一、前言
新时期下，我国的深基坑开挖工程不断的壮大，开挖技术也取得了一定的成绩，但依然存在一些不足和需要改进的地方。在科技不断进步的新时期，加强对PLAXIS在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用，对我国深基坑开挖与支护工程的发展有着重要意义。
二、PLAXIS在深基坑开挖与支护数值模拟中的必要性
深基坑工程是一项系统工程，由于土体介质的复杂性和时效性以及支护方式和环境的多样性，故采用数值模拟有限元方法更能比较全面地从空间、时间上反映各种因素对支护结构及周围土体的应力、位移的影响。
在深基坑支护结构设计中，传统的静力平衡法、弹性抗力有限元法都是将桩土分开考虑，将土压力等其它外界荷载单独作为作用在桩体上的荷载，将桩作为梁考虑，不考虑桩土接触面及桩土的协调作用，弹性抗力有限元法虽能计算出桩身位移，但无法计算基坑周围地表及坑底变形，因此采用PLAXIS法进行基坑支护结构设计计算显得尤为重要。
三、支护设计基本原则
基坑支护结构选型应遵循“安全、经济、合理”的原则，安全不仅指支护体系本身安全，保证基坑开挖、地下结构施工顺利，而且要保证邻近建（构）筑物和市政设施的安全和正常使用。经济不仅是指支护体系的工程费用，而且要考虑工期，考虑挖土是否方便，考虑安全储备是否足够，应采用综合分析，确定该方案是否经济合理。方便施工也是支护体系的选用原则之一。方便施工可以降低挖土费用，而且可以节省工期、提高支护体系的可靠性。具体地说，就是要综合考虑基坑平面尺寸、基坑周边环境、场地工程地质与水文地质条件、施工季節、已有的施工机械设备、地区经验做法、施工便捷性、安全性要求、相应的行业规范和条例、经济性要求与社会效率等多种影响因素。
四、实例分析
1、工程概况
现用PLAXIS计算软件对现有工程进行不同支护方案进行数值模拟分析对比。该工程高层建筑地上29层，地下2层，共31层；钢筋混凝土框架一剪力墙结构，建筑长31.9m，宽27.0m，高113.1m，总建筑面积26700m2。基坑开挖深度为11m。基坑东部是307国道，周围是该小区1期住宅，环境比较复杂，邻近建筑多。根据场地地质条件情况，以东侧人工边坡一断面为例进行数值模拟分析，对纯土钉支护、纯预应力锚杆支护和预应力锚杆复合土钉支护三种方案进行对比。
2、工程地质水文概况
（1）场区地层分布如下：第①层为人工填土，该层物质成分杂乱，结构松散，均匀性差，呈欠固结状态。第②层：粉土，以粉土为主，湿，中密，具中压缩性，摇震反应中等，无光泽，干强度及韧性低。第③层：卵石，砂岩为主，中风化，中粗砂及粉土填充，中密一密实。第④层：碳质泥岩，泥质结构，块状构造，遇水软化，强风化，属极软岩。
（2）地下水：按底层结构判定场地首层地下水类型为孔隙潜水，以第③层卵石为主要含水层，主要由大气降水和侧向迳流补给。根据相关规范及地质勘察报告，选取基坑各土层所需计算参数，见表1
3、支护方案
（1）纯土钉支护方案。设置5排土钉，从第一层到第五层土钉长度依次为7、11、11、7、7m，每排土钉距上排土钉竖向间距为2m。土钉材料采用22螺纹钢，倾角为15°，钻孔直径110mm。面层喷射C20细石混凝土，厚度为100mm。图1为基坑纯土钉支护剖面图。
（2）纯锚杆支护方案。锚杆采用1×76Φ15.2强度等级为1860N/mm2的低松弛钢绞线，施加的预应力为120kN，锚孔直径150mm；第一、四、五排锚杆自由段长度为5m，锚固段长度为2m，第二排和第三排锚杆自由段长度为6.5m，锚固段长度为4.5m，其余同纯土钉支护方案。图2为基坑纯锚杆支护剖面图。
（3）预应力锚杆复合土钉支护方案。第一、四、五层设置土钉，二层和三层设置预应力锚杆，土钉、锚杆总长度不变，锚杆的自由段、锚固段长度不变，材料不变。图3为基坑复合土钉支护剖面图。
4、MIDAS/GTS模拟
（1）计算模型及参数
以东侧人工边坡一断面为例进行数值模拟分析，土体采用实体单元，本构模型选用Drucker—Prager模型。基坑开挖深度为l1m，三维计算模型的计算区域侧边界距坑壁约2倍坑深，底边界则自坑底15m，厚度取2m。计算参数见表1，网格划分见图4。
（2）模拟方案
该模型的开挖、支护模拟共分成五个步骤进行，纯土钉支护方案中：第一步基坑开挖2.0m，在距坑顶1.5m处设置土钉；第二步到第四步每步均开挖2.0m，每层土钉的设置与上一层土钉间隔2.0m；第五步开挖3in，最后开挖至-11.0m，设置土钉，与上一层锚杆间隔2.0m。
纯预应力锚杆支护方案、预应力锚杆复合土钉支护方案，基坑施工开挖步骤和纯土钉支护相同。通过软件的激活与钝化功能，实现基坑开挖步骤，计算得出数值模拟结果。锚杆结构的自由段采用MIDAS/GTS中的植入式桁架结构，锚固段采用桁架结构，土钉结构采用MIDAS/GTS中的桁架结构。
5、计算结果分析
（1）侧壁各测点水平位移分布
从图5中可看出，三种支护方案的最大水平位移发生在基坑的中上部，预应力锚杆复合土钉支护方案在基坑开挖到4m处，打入第一排锚杆，其水平位移从与纯土钉支护方案相似逐渐向纯锚杆支护方案相似靠近，这说明锚杆对减小基坑水平位移起决定性作用。
（2）侧壁顶点最大竖直位移分布 从图6可看出，两种支护方案基坑地表沉降值相差不大，都呈现先回弹后下沉的规律。这是由于随着基坑开挖，土体释放应力，当开挖较浅的时候土体自重小于回弹应力，所以呈现土体位移向上的趋势；继续开挖，土体自重大于回弹应力，土体位移向下。
（3）轴力分布
从图7可看出，土钉轴力沿土钉长度方向为先增加至最大值后逐渐减小，即在土钉中间部位轴力达到最大。说明土钉产生锚固效应的作用段位于土钉的中部，在土钉中部牵制前部土体的变形。第二排和第三排土钉受力较大，第一排土钉受力较小，由于第一排土钉位于抗剪强度较低的填土内，所能提供的锚固力有限。从图8可看出，随着第三排锚杆的加入，土钉受力急剧减小。土钉距锚杆越近，受锚杆预应力大小的影响越大，减小的幅度也越大。从图9可看出，锚杆在其自由段内，轴力基本相等，在锚固段，轴力沿长度递减分布。锚杆轴力随开挖步骤的增加而增大，这说明锚杆在其施加预应力以后的开挖步骤中，轴力在不断增大。预应力锚杆复合土钉支护方案中，不同工况第二排锚杆轴力也有类似的规律。
6、数值模拟分析总结
综上所述，经过对以上三种不同基坑支护方案进行PLAXIS数值模拟分析对比后发现：
（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。
（2）基坑墙后土体沉降随着基坑开挖深度的增加而加大，且最大沉降出现在墙后15m左右处。基坑底部隆起位移也是随着基坑开挖深度的增加而加大，基底中部的隆起量最大，为45mm，靠近坑边处较小。围护结构的变形水平位移分布出現中间大、两端小的情况，最大位移的位置位于开挖深度16m左右处。
五、结束语
通过对PLAXIS在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用问题分析，可以看出：数值模拟有限元方法更能比较全面地从空间、时间上反映各种因素对支护结构及周围土体的应力、位移的影响；可以对多种基坑支护方案进行内力、位移、经济等多方面的比选，从而优化设计。因此，在深基坑开挖与支护的后续发展中，要加强PLAXIS技术的应用，促进深基坑开挖与支护工程的发展。
参考文献：
[1]樊胜军，刘振江.某深基坑施工期围护结构变形监测与数值模拟分析[J].施工技术，2010（9）：82-84.
[2]高华东.北京某深基坑开挖监测实例[J].岩土工程学报，2012（28）：67-69.
[3]余志成，施文华.深基坑支护设计与施工[J].中国建筑工业出版社，2012（5）：91-93.
[4]俞建霖，龚晓南.基坑工程变形性状研究[J].土木工程学报，2009，（4）：20-21.