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深基坑建模经验评价

发表时间：2020/10/16 来源：《基层建设》2020年第19期作者：刘瑶

[导读] 摘要：随着城市规模的快速发展和社会活动的日益密集，中心区域新建筑物的建设面临诸多挑战。

        上海长凯岩土工程有限公司
        摘要：随着城市规模的快速发展和社会活动的日益密集，中心区域新建筑物的建设面临诸多挑战。为了最大限度地利用空间，需要挖掘更大的地基深度，而这带来了保持基坑稳定性的难题。为此，建筑行业普遍使用数学建模对基坑的基础结构和稳定性进行分析。对于结构复杂的建筑物，三维建模具有诸多优势，但这种技术的有效利用需要基于一定的专业经验。
        关键词：基坑；数字建模；经验评估；FEM；Plaxis
        1.简介
        新建筑物的建设和开放空间的利用，使得在复杂条件下的高水平地基建设具有了必要性。为了开发场地，通常在设施下方修建大量地下部分，即修建深层地基并建造基坑。在无法锚定套管结构，或需要确保套管结构防水性时，这种深基坑深建筑坑的稳定性保持相对复杂。城市中密集的建筑区域内缺少必要的施工空间，因此支撑套管或地下墙成为了理想方案。在4米深以下，通常需要锚定墙或通过钢带支撑墙壁。
        微支架固定是一种暂时的用于加强和稳定的结构。使用时需将其撑起或用钢制锚栓将其锚固。该技术应用于拥挤的城市建设区域和密集空间的重建，但只适于浅层挖掘。
        板桩墙可用作临时或永久的板桩结构。板桩墙可以抑制水流，承受静水压力，从而在基坑挖掘时保持防水、密封性。通过夯击或振动夯击的方式安装板桩墙在城市群中相当不利，因为不断增大的冲击可能会对周围的建筑区产生负面影响。重新钻孔的桩墙可实现密封，它们用于松散地层中，以固定底部位于地下水位以下的建筑坑。
        喷射灌浆墙是永久性压实和建筑坑密封的最新方法之一。它们只在没有其他解决办法的地方局部使用，主要用于将现有地基支撑到相邻建筑物的建筑基坑中。隔膜墙由于具有密封功能，越来越多地用于大面积建筑基坑的永久性护墙板。此外，它们可用作设施地基部分的支撑结构，并从上部结构转移负载压力[1][4][3]。
        2.建筑基坑建模
        目前，在岩土工程实践中，常采用有限元法来解决建筑基坑综合设计和设施沉降问题。利用空间模型计算和评估复杂的设施，提供了一种更为逼真的方法和岩土工程模型。采用专用软件进行建筑基坑建模具有较好的效果，如Plaxis 3D Foundation。
        空间模型是由平面模型“扩展”到三维来建立的，这在3D Plaxis程序中很常见[10]。该软件主要侧重于基础，因此它包含特殊的几何元素，便于创建模型。这些元件主要用于墙体结构、楼板和承重桩，可以承受平面负载、线荷载和点载荷。
        为了创建用于模拟工作深度的工作层，须要定义岩石环境。为此，使用钻孔函数，根据各层的厚度值定义土壤之间的界面。根据所选的钻孔长度来确定模型的大小或深度。。
        自动生成器通过平面和空间生成来创建网格。几何图形被15个节点的楔形元素分割。它们由6节点三角形或8节点四边形组成。分划板的质量只受平面密度和三向密度的影响。创建几何体后，可以启动计算程序。在计算程序中，定义了建模阶段、元素插入、挖掘等。
        3.模型进入条件
        地基环境的变化可以用各种本构模型来模拟，如线性摩尔库仑模型、硬化型土模型、软土蠕变模型等。摩尔-库仑模型是最基本也是最常用的模型。该弹塑性模型需要几个基本参数，即变形模量E和泊松数ν，以及土体的剪切参数(c和φ)。该模型的使用前提是材料为理想塑性体。在实际应用中，变形模量值必须根据给定的任务以及加/卸荷情况确定。对于地基、填土等荷载，考虑三轴试验的Eoed或E50模量。对于卸荷（如隧道挖掘）考虑Eur(卸荷/重新加荷)，根据加荷和卸荷周期确定(见图3-1)。根据卸荷/加荷(U/R)计算所得的刚度应比加荷时的刚度高。

             图3-1应力-变形关系
        各个模块的确定关系式如下：

(3-1)

(3-2)
根据三轴试验结果，给出了泊松数的取值。该值用于确定重力加速度时的侧压力系数K0。这些值通常在0.25到0.45之间变化。同样，这是一个适用于加荷来自单轴加荷的模型的值。对于卸荷条件，取值范围为0.15-0.25[2]。

图3-2 基坑隆起(a)
变形模量的取值起着非常重要的作用。在绘制岩石后，会发生相对较高的卸荷和变形增长。在变形模量值较低时，发生数百毫米级的坑底隆起。使用适当的变形模量时，此值会显著减小，并更接近实际情况。模型中的隆起如图3-2所示(放大100倍)。

图3-3 基坑隆起(b)

图3-4基坑纵向隆起

        图3-5 变形模量随基坑隆起的关系
        在图3-2到图3-5中，可以看到不同变形模量下坑底(隆起)计算变形的差异。在第一种情况下，输入卸荷阶段的固结模量的值(约15MPa)。坑底隆起185毫米(见图3-3和图3-4)。卸荷支路的测压模量值较高(约60MPa)，见图3-4和图3-5。随后，将加荷分支的模量用于建筑物的加荷。变形的差异相对显著，约为135mm。

        图3-6建筑坑底纵向隆起(变形模量增大)
        4.结论与总结
        本文的目的是介绍使用空间模型的经验。Plaxis BV公司提供了两个实施3D任务的模版，即Plaxis 3D Tunnel和Plaxis 3D Foundation。这些程序通过向第三方向挤出有限元网格来创建空间模型。利用空间模型可以方便地解决复杂的岩土工程问题，这一点在复杂建筑对象建模中得到了证明。
        选择合适的输入参数对全局形变起主要影响。对于较复杂的工程，工程的岩土勘察和准备工作不容小觑。由于在勘探中节省资金，设计者对给定地点的信息很少，这是相对经常发生的情况。然后，他被迫继续获取可能与给定现实不符的各种输入值。输入参数不准确导致产生误导结果。对输入的感知度主要体现在目前比较常用的数学模型中。这些问题通常是由于缺乏经验或对给定问题不熟悉而发生的。
        参考文献
        [1]MIGOVá, Marcela, GlisíKová V, Designing and implementation of complicated building pits in build-up area [J]. Konstrukce Journal, 2008-1.
        [2]Reference Manual Plaxis 3D Foundation, version 2 [E].
        [3]HULLA, Josef, TURČEK P, Foundation of constructions [B], JAGA, Bratislava 2004.
        [4]ĎURIŠ, Lukáš, JUNIORSTAV 2010 [B],Brno 2011.
        [5]龚晓南. 深基坑工程设计施工手册[M]. 中国建筑工业出版社, 1999.
        [6]杨光华. 深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[C]// 中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(上). 2005.
        [7]侯学渊, 刘国彬, 黄院雄. 城市基坑工程发展的几点看法[J]. 施工技术, 2000(01):7-9.
        [8]龚晓南. 基坑工程发展中应重视的几个问题[J]. 岩土工程学报, 2006, 028(0z1):1321-1324.
        [9]刘润, 严驰, 徐余,等. 粘性土基坑开挖的模型实验研究[J]. 水利学报, 1999(12):61-65+79.
        [10]T.P.T. Dao. Validation of PLAXIS Embedded Piles For Lateral Loading:[J]. 2011.