张涛周圣权
（湖北建艺风工程设计有限公司，湖北，荆州，434000）
【摘要】常规基坑支护软件一般仅能对支护结构内力、变形进行相关计算，对外部环境的具体影响，如影响范围、环境变形量、最不利点等均不能进行相关计算分析，但对某些基坑项目环境较为复杂敏感时，尚需要借助有限元软件对环境做定量、定性分析、预测，本文以一工程实例，应用PLAXIS软件对基坑周边环境做相关分析，为基坑支护结构设计的选型与优化起到了关键作用。
【关键词】基坑支护；环境分析；PLAXIS程序
引言
随着我国城市化进程的发展，城市对地下空间的开发和利用日趋增多，基坑工程不仅在数量上增多，更趋于向更深、更大、更复杂的方向发展。基坑工程为一系统性很强的临时性工程，其涵盖基坑支护设计、基坑施工及土方开挖等，时空效应对环境影响显著，基坑开挖对环境引起的位移及变形是多种因素耦合作用的结果，采用一般常规支护设计分析方法，诸如理正、天汉、启明星等设计软件反映诸因素的影响较为有限，而只有通过有限元分析方法才是分析基坑环境影响的一种行之有效的方法。本文结合一工程实例，采用有限元软件PLAXIS程序模拟分析基坑开挖过程中围护桩产生的水平位移、内力的变化状况，分析了基坑开挖在最不利工况条件下，使用摩尔-库伦模型时对环境影响的变化情况。
1．工程概况
1.1工程地质条件
江汉平原某安置房小区会所设计为3-4F，建筑高度为13.55m，框架剪力墙结构，基础采用φ500管桩基础，项目设计有一层地下室，基坑基底标高-8.00m，自然地面标高-1.00m，基坑开挖深度7.0m。
项目位于长江以北一级阶地地貌单元上，其地层成因类型为冲、洪积，场地地形较平坦，局部邻近已有建筑。根据岩土工程勘察报告，与基坑有关的各岩土层具体特征分述见下表1.1.1。
表1.1.1场区岩土层分布及特征
1.2水文地质条件
赋存于第①层粉土夹粉质粘土中的潜水，水量不大，主要接受大气降水的补给，迳流以垂直运动为主，由地表蒸发排泄，雨季水位较高，干旱水位较低。勘察期间测得水位埋深为1.5米。
赋存于砂、卵石层中的孔隙承压水，主要接受远源大气降水的侧向迳流补给和长江水的侧向补给，迳流条件下部优于上部，其排泄方式主要是向相邻含水层迳流渗透排泄，其次是人工抽水排泄。地下水位变化与长江同步，丰水季节高，枯水季节低，勘察期间测得水位埋深为1.9~2.5米。
1.3支护与开挖方案
本项目基坑坑深7.00m，经方案比选后拟采用双排桩支护体系，第一排管桩（PHC-AB500-125）（Φ500@900）有效桩长15.0m，第二排管桩（PHC-AB500-125）（Φ500@900）有效桩长15.0m；桩顶冠梁设置于地面下1.5m，冠梁截面GL：900*600，砼强度为C30。两排管桩之间为水泥土搅拌桩加固体（Φ500@350）2排，桩长9.0m。
本项目系我市首个坑深超过7.0m拟采用小直径管桩无支锚体系的项目，且项目设计支护桩为常规工程桩PHC管桩，项目紧邻已有建筑（11F,管桩基础，距离6.0m），虽工程造价较为经济，但无借鉴项目参考，仍具相当风险性，故有必要对支护结构自身及外围环境作系统性分析预判，即对项目采用了有限元软件Plaxis程序做一计算分析。
2．Plaxis有限元数值模拟
2.1有限元建模
本实例采用Mohr-Coulomb模型模拟土体单元。在模拟中，使用板单元模拟支护排桩，具体相关参数见表2.2.1，表2.2.2
表2.2.1岩土层物理力学性质指标
2.2有限元计算
基坑开挖施工流程为：先施工支护桩和施工帷幕，然后开挖至-2.5m标高后，浇筑冠梁及联系梁，再开挖至普挖至底板底标高-7.0m，最终开挖至基础底标高-8.0m。有限元模拟分析时所设置的基坑开挖的工况如下：
工况1：施工支护桩和施工帷幕；
工况2：开挖至-2.5m标高后，浇筑冠梁及联系梁；
工况3：开挖至普挖标高-7.0m；
工况4：开挖至基础底标高-8.0m。
利用Plaxis，对基坑开挖过程中的支护结构变形、对环境的影响分析进行特性分析，可以得到支护桩的位移、内力变化（表2.3.1）及基坑周围土体应力、应变云图（图2.3.2、图2.3.1）。
表2.3.1各工序支护结构内力最大水平位移
邻近建筑区域水平位移为12-14mm）
图2.3.3竖向位移云
（垂直位移极值坑底隆起37.66mm
邻近建筑区域垂直位移为0-4mm）
2.4应用效果
经有限元数值模拟分析，项目基坑支护采用双排桩选型合理，计算位移满足在规范要求，预判本项目基坑开挖对环境影响主要表现为水平变形，因位移值极小，基坑开挖对环境的影响轻微。虽有限元分析中坑底隆起量较大，但考虑数值模拟中未考虑基坑坑底工程桩对土的有利束缚，参照类似工程实践经验，坑底隆起量亦应在可控范围。
此外，通过对Plaxis程序数值模拟结果分析，双排桩的内力计算值较小，与常规基坑软件天汉基坑软件计算数据值接近，二者基本规律一致。通过计算分析，桩身结构内力不高，普通工程桩管桩PHC-AB500-125的相关力学性质指标即可满足要求，也排除了普通工程桩管桩在基坑支护应用中潜在的抗弯能力不足的顾虑。
故本项目基坑实施中即采用双排管桩的支护形式，项目于2015年国庆后开始支护桩施工，现主体结构已经施工至正负零标高以上。在整个基坑施工期间，各水平位移监测点及沉降与隆起监测点均未超过预警指标，各点的监测数据都在设计允许范围内，未发现异常情况。测得水平位移最大值为25mm，小于水平位移设计预警指标30mm，测得基坑周围路面及建筑物最大沉降量为8mm，最大差异沉降1.7‰，小于沉降差异设计预警指标3‰，以该支护系统变形能较好地满足设计要求，支护对周边环境影响较小，达到了项目预计的变形控制要求。得到了建设单位和施工单位的一致好评，取得了良好的经济效益和社会效益，值得类似项目借鉴。
3．结语
虽有限元程序在岩土工程中的应用，是计算机时代发展的必然趋势，为岩土工程师提供了解决工程问题更为有力的工具，其除对支护结构内力、变形验算、分析外，其突出优势在于能对外部环境作可定性定量分析，任意点的内力、变形等。有经验的岩土工程师可借助分析结果对薄弱点做针对性处理，体现岩土工程“概念设计”的意义，更好的指导基坑支护设计与实践。
本例中，即通过应用PLAXIS软件对基坑周边环境做一定量、定性分析，逐而验证基坑支护结构设计选型的合理性，为优化设计起到了关键作用。
参考文献：
[1]张如林徐奴文，基于PLAXIS的深基坑支护设计的数值模拟，《结构工程师》，第26卷第2期
[2]刘霁贺晨，基于PLAXIS基坑围护桩水平位移特性的分析，《中南林业科技大学学报》，第31卷第8期
[3]罗漪王建鸿等，双排桩基坑支护结构受力的Plaxis有限元分析，《工程建设与设计》2009年第11期93-96页