阐述深基坑PLAXIS在深基坑工程教学中运用

【摘要】将有限元软件PLAXIS引入深基坑工程教学中，把课程教学与计算机数值仿真技术紧密结合在一起，增强了教学方式的多样化。本文结合具体工程实例，探索PLAXIS在深基坑工程教学中的应用，有效提高学生的兴趣和积极性，激发学生的创新能力，从而大大提高教学质量。
【关键词】PLAXIS 深基坑工程 教学
1006—596 2（2012）09（a）—0004—02
1、前言
深基坑工程是一门综合性很强的课程，包括基础理论、基本实验以及工程实践等教学环节。在传统的课堂教学过程中，往往只注重基本理论和基础知识的讲授，如土力学基本原理、桩土相互作用以及地下水控制方面，这些基础知识涉及大量的抽象复杂力学计算和公式推导，无法让学生形象直观的掌握支护结构体系的受力状况，严重影响到深基坑工程的教学质量。基本实验主要是材料的强度实验，包括岩土体、混凝土等材料的强度测试等。目前，由于受到实验条件的限制，学生亲自动手做实验的机会比较少，很难通过大量的实验向学生直观的演示不同材料的力学特性。对于现场实践教学部分，一般多以专业认识实习和生产实习为主，但由于实习时间限制，加之实习针对性不强，很难达到教学目标。随着计算机技术和数值计算理论的发展，数值仿真技术也作为一种新的教学手段，被不断的引入到各学科的课程教学中。本文将有限元软件PLAXIS引入到深基坑工程的教学中。利用现代计算力学原理和计算机可视化技术，不仅可以辅助实验教学，还可以克服实验室物理实验的不足，突破传统实验观测难、重复难等弊端。对具体深基坑工程实例进行数值仿真模拟，可以加强学生对深基坑工程的勘察、设计、施工、监测等环节的了解，培养学生形成一个完整的知识体系，提高学生工程意识。

2、PLAXIs在深基坑工程中应用

PLAXIS程序应用性非常强，能够模拟复杂的工程地质条件，广泛应用于基坑、隧道等开挖支护分析。以某一深基坑工程为例，对深基坑的开挖与支护进行数值模拟，分析基坑开挖对支护结构的内力和变形、既有建筑物基础、坑底隆起变形以及地表沉降变形的影响。

2.1 工程概况

拟建工程用地面积6000m2，建筑面积41187m2，建筑物地上15层（高度68m），地下3层，基础埋深约16.0m，结构形式为剪刀墙结构，基础形式为筏板基础。拟建工程地下结构外皮东侧距c座（地上17层，地下2层，基础埋深11.40～14.0m）地下结构约6.7m，之间有弱电管线。拟建场地主要由填土、粉土、粘性土、砂及卵石构成。为确保基坑开挖的安全，采用双排桩支护结构，上部边坡桩间土体采用土钉墙进行加固，下部根据条件施工一道预应力锚杆。桩径0.8m，桩间距为1.6m，桩长22m，嵌固深度6m。预应力锚杆采用一桩一锚，锚孔孔径为150mm，锚杆倾角15°，锚杆长20m，锚筋体为4根7Φ5钢绞线。
基坑开挖之前，首先施作两排桩，桩顶用连梁连接；采用逆作法施工，开挖到2.5m施作桩间土钉，然后每开挖1.5m施作一道土钉，一共施作7到土钉；开挖到11.5m时，施作预应力锚杆，最终开挖到设计标高（16m）。

2.2 有限元模型

根据现场剖面图，考虑到基坑开挖摘自：毕业论文翻译www.618jyw.com
及已有建筑物的范围，开挖宽度取40m（基坑开挖宽度的一半）及建筑物基础宽度40m，几何模型水平方向取到130m，综合考虑开挖深度及实际地层情况，深度方向取至地下45m。

2.3 数值结果分析

图1为基坑开挖至设计标高后，双排桩、土钉、预应力锚杆、既有建筑物基础、基坑底部以及地表的变形图。由图可知，前排桩变形比后排桩大，最大位移不是在桩顶，而是发生在桩顶下约8m处，其值为43mm；后排桩由于受到前排桩的拉扯作用，桩顶位移最大，其值为32mm；基坑底部由于卸荷作用，土体发生隆起变形，最大隆起值为56mm；既有建筑物基础发生轻微沉降；土钉和预应力锚杆也发生轻微位移，在后排桩与既有建筑物之间发生了较大的沉降，最大值为24mm；在建筑物后方地表最大沉降值为10mm。
（1）前、后排内力分析
由图2和图3可知，前排桩由于在桩顶下11.5m处设置了一道预应力锚杆，最大弯矩发生在桩顶下9m左右，其值为269kN.m/m；后排桩由于桩顶受拉作用，最大弯矩发生在桩顶位置，其值为373kN.m/m。前排桩的剪力在预应力锚杆上部表现为线性分布，在预应力锚杆处由于预应力的作用，剪力发生突变，最大剪力值为160kN/m；后排桩最大剪力发生在桩顶，其值为96kN/m。前后排桩在预应力锚杆位置上方的弯矩和剪力方向相反，在其位置下方的弯矩和剪力方向相同。
（2）锚杆轴力分析
由图4可知，预应力锚杆锚固段的轴力不是均匀分布，而是近似为线性分布；轴力在锚固段端头处最大，其值为266kN/m，随着锚固段的增长而逐渐减小。
（3）既有建筑物基础沉降分析
基坑开挖对既有建筑物会产生一定的影响，由于建筑物基础的刚度非常大，基础变形一般是发生轻微的转动。由图5可知，既有建筑物基础与基坑非常近，基底土体开挖产生的卸荷作用对基础的影响非常大，表现为基础在近基坑侧有轻微的隆起，相反在远离基坑的位置会发生轻微的沉降，基础最大变形值为3mm。
通过对以上深基坑工程进行数值模拟和分析，可以使学生对工程勘察、设计、施工及监测等环节有了一个清楚的认识和了解，培养学生形成一个完整的知识体系，提高学生的工程意识。
3、结论
本文将有限元软件PLAXIS引入到深基坑工程的课程教学中，把课程教学与计算机数值仿真技术紧密结合在一起，并通过具体工程案例分析，提高了学生运用所学知识解决实际问题的能力，可以增强学生的工程意识。