Plaxis在软土地区水闸地基基础设计中的应用

李卫东　王新伟

【Summary】为综合考虑上部结构、地基基础及两侧高填土等因素的影响，运用通用岩土有限元分析软件Plaxis对工程进行全过程数值模拟，将模拟结果与工程建设过程中监测成果成果进行比较，较为吻合，结果表明Plaxis可以较好的模拟边载、地基基础及上部结构之间相互作用，可以指导水闸工程复杂地基基础的优化设计。

【关键字】Plaxis ；水闸；软土；不均匀沉降；数值模拟

1 基本概况

某水闸位于上海市杭州湾南岸，为一线海塘出海闸。水闸采取分离式布置 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，两边孔采用倒“Π”型结构型式，中跨一块分离式底板。闸首地基处理横断面布置图见图1。本工程闸首地基处理方案整体性很强，需统筹考虑上部结构、基础、地基及墙后高填土间的相互作用，常规的经验计算方法已经难以满足设计计算要求，需采用整体有限元计算方法进行模拟分析[1][2]。

2 有限元模型建立

2.1土体本构模型选取

目前，岩土工程分析常用的本构模型有：非线性弹性 Duncan-Chang 模型[3]，弹塑性的 Mohr-Coulomb 模型、Druker Prager 模型及 Druker Prager+Cap 模型[4]、修正剑桥模型[5]等。Duncan-Chang 模型应用较广，参数也可通过普通的三轴试验获得，且可以考虑卸载模量对计算结果的影响，但未能考虑固结压力的作用，不适宜模拟上海地区的正常固结和弱超固结黏土以及密实度较低的砂土这类变形受体积应变影响较大的土体。Mohr-Coulomb 模型与 Druker Prager 模型为理想弹塑性模型，参数简单且易于获得，但不能考虑卸载模量与加载（剪切）模量的区别，且未考虑固结压力的作用，也不适宜模拟上海地区土层中的卸载开挖问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。Druker Prager+Cap 模型虽然考虑了固结压力和体积应变的影响，但由于其加载模量和卸载模量相同，不宜用于模拟卸载问题。修正剑桥模型以塑性体积应变作为硬化参数，考虑了固结压力和体积应变对土体应力应变的影响，但由于其过大的估计了土体的抗剪强度，导致坑底被动区土体在剪切过程中表现出“过强”的现象[8]。

HS 模型（Hardening Soil Model）最先由 Schanz（1998）和 Schanz 等[6]（1999）在 Vermeer（1978）的双硬化模型的基础上提出。根据大量工程实践，表明HS模型可较好的模拟上海地区岩土工程特性，本文采用HS模型对项目模拟分析。

2.2 土体本构模型参数

HS模共有11 个模型参数，分别如下：

3 个Mohr-Coulomb 强度参数： ：有效粘聚力； ：有效内摩擦角； ：剪胀角。

3 个基本刚度参数： ：三轴排水试验的参考割线刚度； ：固结试验的参考切线刚度； ：刚度应力水平相关幂指数。

5 个高级参数： ：卸荷再加荷模量； ：卸载再加载泊松比 ：参考应力； ：破坏比； ：正常固结条件下的侧压力系数。

计算中不同分层土体的重度、粘聚力、摩擦角等参数由勘察报告提供，刚度参数和高级参数则参照王卫东[7]等对上海地区土体硬化模型参数研究成果进行确定。

加固区土体压缩模量参照上海市《地基处理技术规范》（DGT J08-40-2010）第7.2.7条进行确定，计算公式如下：

Eup=mEp+（1-m）Es

式中：Eup为复合地基压缩模量，Ep为搅拌桩压缩模量，Es为桩间土压缩模量，m为置换率。

2.3 结构材料参数

上部结构中底板、闸墩等结构采用板单元（Plate）进行模拟，板单元能通过输入EA、EI值来自动生成板的等效厚度，结构自重（板的重量）可以通过输入单位面积重量（W）来定义。底板和闸墩的连接定义为刚接。

胸墙、闸门、上部桥梁荷载、上部建筑荷载由于是简支闸墩上，采用施加集中荷载和线荷载的型式进行模拟。

2.4计算模型

为充分考虑边载对主体结构的影响，模型水平向考虑范围为200m，模型边缘与闸首中心线距离100m；为充分模拟地基土沉降变形，地基土模拟深度达到-60m。建立模型尺寸为200m（水平） ×71m（竖直）。

3 计算成果

主要计算成果如下：

（1）各部位底板总体垂直位移变形趋势为两侧大中间小，与扁担变形相似，上部结构呈现外“八”字型变形，该变形趋势主要是受两侧高填土边载引起的。

（2）东侧边孔底板靠岸侧沉降量为73.38mm，靠中孔侧为61.63mm，底板不均匀沉降值为11.75mm；西侧边孔底板靠岸侧沉降量为75.38mm，靠中孔侧为63.66mm，底板不均匀沉降值为11.72mm；东西两边孔間沉降差为2.03mm。根据上述结果可知边孔底板自身沉降量不到80mm，两边孔自身不均匀沉降值在10mm左右，两边孔之间不均匀沉降差仅为2mm左右。水闸主体结构总沉降量和差异沉降量均小于规范允许值（规范要求总沉降量不大于150mm，不均匀沉降量不大于50mm）。水闸主体结构沉降位置控制能满足规范要求。

（3）东侧岸箱靠岸侧沉降量为120.85mm，靠河侧沉降量为79.49mm，底板不均匀沉降值为41.36mm；西侧岸箱靠岸侧沉降量为124.79mm，靠河侧沉降量为83.42mm，底板不均匀沉降值为41.37mm。岸箱自身总沉降量小于150mm，不均匀沉降量小于50mm。

（4）东侧岸箱和东侧边孔间底板沉降差为6.11mm，东侧边孔与中孔底板间沉降差为14.98mm，西侧边孔与中孔底板间沉降差为14.30mm，西侧岸箱与西侧边孔底板间沉降差为7.59mm。各底板之间沉降差均小于20mm，处于伸缩缝允许沉降差范围内。

4 实测数据对比分析

本工程建设期间对水闸中墩、边墩及岸箱角点进行了全程跟踪监测，监测点布置。本工程于2013年5月通水，截至2014年6月，水闸主体结构的沉降位移已基本趋于平稳，各主要监测点位移与数值模拟沉降变形量对比。

根据对比可知：

（1）实测沉降位移值整体趋势与计算趋势相一致，模拟分析计算值与实际变形值较为接近，数值模拟较好的反映了工程的总体位移变形趋势。

（2）实际监测显示，靠外河侧的监测点沉降值普遍大于靠内河侧的沉降值，这主要是由于水闸外河侧翼墙墙后填土高程较内河侧高，受外河侧边载效应较大的影响，引起水闸外河侧出现较大的沉降。

5 结语

（1）软土地区水闸工程地基处理需统筹考虑上部结构、基础、地基及墙后高填土间的相互作用，常规的经验计算方法已经难以满足设计计算要求，Plaxis岩土有限元分析软件可以较好的模拟边载、地基、基础及上部结构之间相互作用，使得复杂地基基础设计计算难题得以解决，能够较好的指导工程优化设计。

（2）根据数值模拟分析显示，水闸主体结构（边孔、中孔）总沉降量小于80mm，差异沉降量小于20mm；岸箱总沉降量小于150mm，差异沉降量小于50mm；各底板结构间沉降差均小于20mm；水闸工程总体沉降和差异沉降控制较为合理，工程地基处理方案经济合理，能确保工程建设后正常稳定运行。

（3）根据工程建成后实测监测数据显示，数值模拟计算总体变形趋势与实测成果十分吻合，计算沉降量与实测沉降量也较为接近，说明运用Plaxis对水闸工程进行模拟可以取得比较真实的成果。

Reference：

[1]胡兆球.水闸结构设计现代计算方法及其应用研究[D].河海大学，2003.

[2]关淑萍，张燎军，王大胜，王海青. 边荷载对水闸地基沉降与底板内力的影响研究[J].水电能源科学，2006，02：58-60+4.

[3]尹骥.小应变硬化土模型在上海地区深基坑工程中的应用[J].岩土工程学报，2010，S1：166-172.

-全文完-