基坑設(shè)計常用計算軟件的比較

龍鵬

摘要：本文通過工程實例，對幾種常用的基坑設(shè)計計算軟件的結(jié)果進行了比較分析，供設(shè)計同行參考。

關(guān)鍵詞：基坑；理正深基坑；Frws；Plaxis

引言

隨著我國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，工程建設(shè)領(lǐng)域的深基坑工程越來越普遍。在目前階段的深基坑設(shè)計中，我們設(shè)計人員一般按照單元平面問題考慮，最常用的是增量法（m法），常用的計算軟件有理正深基坑、同濟啟明星Frws等。當(dāng)基坑較為復(fù)雜時，我們采用Midas gts，Plaxis，Ansys，F(xiàn)lac等有限元軟件進行數(shù)值模擬分析，作為常規(guī)計算軟件的校核和補充。本文通過工程實例，對我們深基坑設(shè)計中常用的理正深基坑、Frws、Plaxis三種設(shè)計軟件的計算結(jié)果加以分析比較，得出一些結(jié)論，供設(shè)計同行參考。

1 工程概況

某水池基坑工程，基坑寬20m，開挖深度12m?；又ёo采用地下連續(xù)墻+3道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，地連墻接頭處設(shè)旋噴樁止水。地下連續(xù)墻厚800mm，墻深20m，3道鋼筋混凝土內(nèi)支撐構(gòu)件截面寬600mm，高800mm，分別位于地面以下1m，5m和9m處，支撐平面間距5m。地下連續(xù)墻及內(nèi)支撐均采用C30混凝土，容重25kN/m3，彈性模量E=3×104MPa，泊松比ν=0.2。

根據(jù)詳勘報告，擬建場地地貌類型為濱海平原，地勢較為平坦，地下土層分布大致穩(wěn)定，地層分布自上而下為：○11雜填土、②1粉質(zhì)粘土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土厚、⑤1粘土、⑥粉質(zhì)粘土、⑦1砂質(zhì)粉土等，地下水埋深1m。各土層計算參數(shù)接下來，我們將分別采用理正深基坑、Frws、Plaxis三種計算軟件對該基坑支護進行計算分析。

2 理正深基坑計算結(jié)果

理正深基坑是我們基坑設(shè)計中最常用的計算軟件，該軟件界面友好，使用簡單，適用支護類型較廣，且提供國家及多個地方規(guī)程作為可供選擇的計算依據(jù)，計算結(jié)果簡單明確，能較好的與規(guī)范銜接。工程實例計算結(jié)果。

3 FRWS計算結(jié)果

同濟啟明星深基坑支護計算軟件Frws也是我們基坑設(shè)計中常用的計算軟件之一，特別是在上海地區(qū)的設(shè)計院，該軟件應(yīng)用非常廣泛，其界面友好，適用多種支護型式，使用簡單，計算結(jié)果簡單明確且考慮了國家和上海市規(guī)范，工程實例計算結(jié)果。

4 Plaxis2D計算結(jié)果

Plaxis2D是由荷蘭公司開發(fā)的專門用于分析巖土工程變形和穩(wěn)定性的大型有限元計算程序。該程序計算功能強大，能自動劃分網(wǎng)格，可模擬分析線彈性、理想彈塑性、軟土模型、硬化模型和軟土流變模型等復(fù)雜本構(gòu)模型的土體，還可模擬施工步驟進行多步計算。

針對工程實例，根據(jù)對稱性選取一半作為研究對象，有限元計算模型寬取50m（其中10m寬為開挖寬度的一半），高取30m。采用平面應(yīng)變有限元模擬基坑的開挖過程，巖土體采用15節(jié)點三角形平面單元，土體材料模型采用摩爾庫倫（Mohr-Coulomb）模型，地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐均采用線彈性模型，其中地下連續(xù)墻采用板單元模擬，內(nèi)支撐采用錨錠桿模擬，通過界面強度折減因子Rinter考慮結(jié)構(gòu)與其相鄰巖土之間的粘聚力和內(nèi)摩擦角。模型的底部邊界施加完全固定約束，左、右側(cè)施加水平約束邊界條件。計算模型見圖5，考慮坑邊20m范圍超載2t/m2。建立幾何模型后，即可生成有限元網(wǎng)格，Plaxis具有完全自動有限元網(wǎng)格劃分功能，網(wǎng)格劃分精度選擇中等粗糙度，同時人工對地下連續(xù)墻靠近坑底部分進行加密處理。

為了分析模擬地下水對支護內(nèi)力及變形的影響，現(xiàn)建立兩組模型，分別模擬存在地下水和不存在地下水的情況，當(dāng)考慮地下水影響時，模型底邊線設(shè)為封閉的滲流邊界，并分步考慮基坑開挖時坑內(nèi)降水、坑外水頭差下的地下水滲流影響，計算結(jié)果所示。

當(dāng)不考慮地下水影響時，靜水壓力線設(shè)為模型底邊線，并把地下水以下的土體容重設(shè)為飽和容重。

5 計算結(jié)果分析比較

該基坑工程現(xiàn)已完成，施工過程中對支護變形、地面沉降及支護內(nèi)力等進行了監(jiān)測，表2匯總了上述軟件的計算結(jié)果和施工實測值。

可以看出：

（1）地連墻內(nèi)力：理正深基坑、Frws與Plaxis（考慮地下水）三者的計算值較為接近，且與施工實測值相差較小，考慮到規(guī)范要求的內(nèi)力放大安全系數(shù)1.25，上述三種軟件計算值均可滿足設(shè)計要求。

（2）地連墻變形及地表沉降：理正深基坑、Frws 與Plaxis（不考慮地下水）三者計算出的支護變形較為接近，且與施工實測值相差不大，特別是Plaxis（不考慮地下水）的計算值與實測值非常接近，可作為基坑設(shè)計時預(yù)估變形的重要參考。

（3）Plaxis（考慮地下水）計算出的支護變形和地面沉降均較實測值偏大較多。

6 結(jié)語

通過上述計算及比較分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）一般基坑設(shè)計時，可采用理正深基坑或Frws的計算內(nèi)力設(shè)計支護結(jié)構(gòu)，但二者計算的預(yù)估變形值均稍偏小。

（2）采用Plaxis數(shù)值計算時，考慮地下水比不考慮地下水作用，支護內(nèi)力和變形均偏大。Plaxis考慮地下水時計算的支護內(nèi)力可作為支護設(shè)計的依據(jù)。

（3）由于該場地土屬軟土地區(qū)，土體滲透性較差，采用Plaxis計算支護變形時，不考慮地下水（即考慮水土合算）比考慮地下水（即考慮水土分算）更準(zhǔn)確，但要把地下水以下的土體容重設(shè)為飽和容重。對于滲透性較好的砂性土層等，由于篇幅限制，本文未加分析。

（4）上述Plaxis數(shù)值分析采用摩爾庫倫模型，其中的楊氏模量E在一般的地勘報告中是不提供的，本次分析是采用壓縮模量的5倍取值，供設(shè)計同行參考。

參考文獻：

[1]劉國彬 王衛(wèi)東 主編《基坑工程手冊》（第二版）中國建筑工業(yè)出版社，2009年11月

[2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)范》（JGJ120-2012）中國建筑工業(yè)出版社，2012 北京