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

【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，基坑周长790m，开挖面积34,700m²，安全等级二级，环境保护等级三级，地下水稳定埋深0.8～2.1m。

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，建模参数如下：

• 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

基坑开挖分三步进行：开挖至2m、4m、7m深度。

四、计算结果分析

基坑开挖至坑底时，土体最大水平位移为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。

前排桩最大水平位移41.3mm，后排桩最大水平位移36.1mm，表现为中间大、两端小的"弓"形变形特征。

五、现场监测与数值对比

前排桩实测最大水平位移为47.5mm，与有限元计算值41.3mm基本吻合，验证了数值模拟方法的可靠性。

六、研究结论

• 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

• 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

• 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。