新型桩-土-撑组合支护体系工程应用研究 - PLAXIS有限元分析

【技术报道】新型桩-土-撑组合支护体系工程应用研究 | PLAXIS有限元分析实例

【核心摘要】
本文基于上海某深大基坑工程，系统介绍新型桩-土-撑组合支护体系的设计方法与PLAXIS 2D有限元分析应用。通过土体硬化模型（HS）数值模拟与现场监测数据对比，验证了该支护体系在软土地区深基坑中的可靠性，为类似工程提供参考。

【关键词】 桩-土-撑组合支护体系 | PLAXIS 2D | 岩土有限元分析 | 基坑工程 | 深基坑支护 | SMW工法桩 | 土体硬化模型 | 基坑变形监测

【作者信息】
王杰¹，杜佐龙²，韩磊*¹（通讯作者）
1. 中国建筑第八工程局有限公司
2. 中国建筑第八工程局有限公司华南分公司

一、研究背景与工程意义

随着城市地下空间大规模开发，基坑工程正朝着深、大方向发展。传统钢筋混凝土内支撑体系存在施工成本高、周期长、建筑垃圾量大等不足。本研究提出的新型桩-土-撑组合支护体系由前后排桩、桩间土、桩顶连板和钢管斜撑组成，无需内支撑，可有效提高施工效率、降低环境影响。

核心问题： 如何在软土地区超大型基坑中，既避免内支撑施工，又保证基坑变形满足设计规范要求？

二、工程概况

项目背景： 上海某基坑工程

支护体系设计：

• 前后排桩：SMW工法桩，排桩间距5m

• 水泥土搅拌桩：Φ850@1200三轴搅拌桩，桩长17.2m，水泥掺量20%

• 内插型钢：H700×300×13×24，长度18m

• 桩顶连板：40cm厚钢筋混凝土盖板，C35混凝土

• 钢管斜撑：Φ377×10，倾角50°，斜撑长25m，平均间距4.8m

三、PLAXIS 2D有限元建模

本研究采用PLAXIS 2D有限元软件进行数值分析：

建模参数：

• 模型尺寸：宽度100m，高度60m

• 土体单元：15节点三角形单元

• 土体本构：土体硬化模型（HS）

• 双排桩/连板：板单元，E=3.15×10⁷kPa

• 钢管斜撑：Embedded beam row单元，E=2.1×10⁸kPa

开挖工况（共3步）：

1. 开挖至2m深度

2. 开挖至4m深度

3. 开挖至7m深度

四、计算结果分析

土体水平位移特征：

• 土体最大水平位移43mm，发生在前排桩基坑开挖面略向下位置

• 钢管斜撑有效改变了传统双排桩的变形规律，桩顶位移显著减小

前排桩水平位移： 41.3mm（计算值）
后排桩水平位移： 36.1mm（计算值）
变形模式： 中间大、两端小的"弓"形

五、现场监测与数值对比

结论： 实测值与PLAXIS 2D有限元计算结果基本吻合，验证了数值模拟方法的可靠性。

六、研究结论

1. PLAXIS 2D有限元分析能够较好地预测新型桩-土-撑组合支护体系在基坑开挖过程中的变形规律

2. 钢管斜撑的存在改变了传统双排桩的受力性能，使桩体最大水平位移未出现在桩顶

3. 该支护体系满足基坑支护安全和变形要求，且施工工期短、成本低、绿色环保，可为软土地区深大基坑工程提供参考

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本文整理自《岩土工程学报》2019年第41卷增刊2，作者王杰为教授级高级工程师，长期从事地下深基础工程研究。