徐　凌， 陳格際， 劉　帥

(1. 遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 鞍山 114051； 2. 遼寧省冶金地質(zhì)勘查局403隊第四工程處， 遼寧 鞍山 114021)

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基于FLAC3D的深基坑開挖與支護(hù)數(shù)值模擬應(yīng)用*

徐凌1， 陳格際1， 劉帥2

(1. 遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 鞍山 114051； 2. 遼寧省冶金地質(zhì)勘查局403隊第四工程處， 遼寧 鞍山 114021)

針對內(nèi)撐式排樁深基坑支護(hù)開挖過程中地表和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的安全性問題，為基坑工程設(shè)計與計算提供參考依據(jù)，運(yùn)用FLAC3D軟件對營口市某深基坑工程采用內(nèi)撐式排樁支護(hù)進(jìn)行了開挖模擬，結(jié)合理正軟件設(shè)計計算值和現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測值進(jìn)行對比分析.結(jié)果表明，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬得到的地表和圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移值分別為22、25 mm，而理正軟件得到的最大位移值分別為22、20 mm，現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測地表和圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移值為26和30 mm，在深基坑工程開挖與支護(hù)過程中，F(xiàn)LAC3D不僅能夠較好地模擬不同工況下的地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，而且模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移效果更好.

深基坑； 內(nèi)支撐； 排樁； 數(shù)值模擬； 理正軟件； 監(jiān)測值； 水平位移； 地表沉降

為了節(jié)約城市建設(shè)用地，合理調(diào)節(jié)土地使用結(jié)構(gòu)，大批高層、超高層建筑如雨后春筍般拔地而起.隨著建筑物的高度和跨度的增加，深基坑開挖支護(hù)工程的設(shè)計施工及安全問題日益突出.深基坑工程施工過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體相互作用，不斷調(diào)整自身受力與變形，使基坑內(nèi)外土體保持穩(wěn)定或失穩(wěn)狀態(tài)，這是一個機(jī)理復(fù)雜的力學(xué)過程，對其進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬和分析，無疑對于提高深基坑的設(shè)計理論、施工水平有著積極的意義[1].近年來越來越多的巖土工程課題采用軟件數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析，然而采用FLAC3D軟件數(shù)值模擬和理正深基坑計算對比分析研究相對較少，這種方法可以真實(shí)地反映研究對象的內(nèi)力與變形狀態(tài)，從而及時地對可能發(fā)生的危險作出預(yù)測[2-3].

目前深基坑支護(hù)方式很多，其中內(nèi)撐式排樁支護(hù)相對于其他支護(hù)方式具有顯著優(yōu)勢.排樁支護(hù)采用機(jī)械或人工挖孔均可，施工方便成本相對較低廉，不需要使用大型機(jī)械，沒有振動、噪聲和擠壓周圍土體等危害.內(nèi)支撐具有剛度大、變形小等優(yōu)點(diǎn)，能有效控制擋墻或周圍地面的變形，適用于基坑較深或周圍環(huán)境要求較高的地區(qū)[4-6].本文以營口市某深基坑工程為例，用FLAC3D軟件對其基坑采用內(nèi)撐式排樁支護(hù)開挖狀態(tài)進(jìn)行模擬，從而得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)、土體的水平位移與內(nèi)力特征，然后通過理正軟件計算對比分析，論證了數(shù)值模擬應(yīng)用在基坑開挖中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析的可行性，為今后的基坑支護(hù)設(shè)計與施工過程提供指導(dǎo).

1　工程概況

營口市某商場深基坑工程施工現(xiàn)場北側(cè)為渤海大街，東側(cè)為學(xué)府路，西側(cè)為高層建筑，南側(cè)為居民區(qū)，基坑長度為150 m，寬度為70 m，開挖深度為10 m，框架結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ).基坑安全等級為一級，場地等級為二級，地基等級為二級，巖土工程勘察等級為乙級.

1.1場地工程地質(zhì)條件

該工程場地在勘探深度內(nèi)，地基土層依據(jù)其成因類型、沉積關(guān)系以及力學(xué)性質(zhì)的差異進(jìn)行分層，場區(qū)內(nèi)土層自上而下可分為7層，按物理力學(xué)性狀的差異又細(xì)分為亞層，各土層的工程地質(zhì)特征如表1所示.

表1　土體特性指數(shù)

1.2場區(qū)水文地質(zhì)條件

本場地在勘探過程中均見有地下水，穩(wěn)定水位埋深1.00～1.60 m，平均水位埋深1.32 m.地下水類型為第四系孔隙潛水及承壓水，主要含水層為粉砂層和細(xì)砂層，多數(shù)由大氣降水補(bǔ)給，水位具有季節(jié)性變化，其變幅為0.5～1.0 m.對水樣進(jìn)行分析表明，地下水對混凝土具有微腐蝕，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在長期浸水時具有微腐蝕.

1.3支護(hù)設(shè)計方案

本工程基坑圍護(hù)體系采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴止水帷幕+內(nèi)支撐體系.其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)全部采用鉆孔灌注樁，樁徑1.0 m，樁間距1.3 m，樁間空隙采用雙管高壓旋噴樁止水，支撐結(jié)構(gòu)為1.2 m×1.0 m樁頂冠梁和0.8 m×0.8 m、0.6 m×0.6 m現(xiàn)澆鋼筋混凝土內(nèi)支撐梁，立柱樁為直徑1.0 m鉆孔灌注樁.

2　FLAC3D模擬

2.1計算模型建立

由于基坑土層條件基本對稱，故可取其1/2進(jìn)行模擬分析.為了降低模擬邊界條件對模擬過程的影響，模型在水平方向上從基坑邊界向外擴(kuò)展約4倍開挖深度，在豎直方向上取2倍開挖深度，由此可以確定基本模型的尺寸及形狀如圖1所示[7-8].內(nèi)支撐用Beam單元模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)用實(shí)體單元模擬，排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)等效化為厚度為1.0 m的連續(xù)墻.模型中不同結(jié)構(gòu)類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)(包括內(nèi)支撐、圍檁和鉆孔灌注樁)之間的連接通過共用節(jié)點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)，限制6個方向的自由度，即認(rèn)為不同類型的結(jié)構(gòu)單元之間采用剛結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)6個自由度上力的傳遞[9].

圖1　模型單元

基本網(wǎng)格模型表示長度為120 m，寬度為160 m，高度為20 m的基坑場地及周圍土體，其中從里到外四種顏色分別代表基坑、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、近處土體、遠(yuǎn)處土體，一共包括13 464個單元體，總計15 750個節(jié)點(diǎn).

2.2模擬方案

該模擬的開挖、支護(hù)模擬共分成5個步驟進(jìn)行：1)基坑開挖至-2.0 m(工況1)；2)基坑開挖至-3.6 m，在-3.0 m處設(shè)置內(nèi)支撐(工況2)；3)基坑開挖至-5.0 m(工況3)；4)基坑開挖至-7.0 m(工況4)；5)基坑開挖至-10.0 m(工況5)，具體布置如圖2所示(單位：m).

圖2　FLAC3D分析剖面

2.3模擬計算結(jié)果分析

針對上述計算模型和材料參數(shù)采用FLAC3D對基坑的開挖和支護(hù)進(jìn)行了模擬，圖3～6為模擬開挖后土體水平變形情況和地表沉降情況.

3　理正軟件計算分析

針對本工程采用理正深基坑6.0設(shè)計軟件進(jìn)

圖3　水平向位移云圖

圖4　圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖5　豎向位移云圖

圖6　地表沉降曲線

行計算，計算中包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受彎、受剪和地表沉降變化情況.考慮施工時的周邊環(huán)境影響，在計算中需要施加地面超載作用在距基坑坑邊1 m處.采用“增量法”計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，將各階段構(gòu)件所產(chǎn)生的內(nèi)力與之前各階段中產(chǎn)生的內(nèi)力相疊加.圖7～9是由理正6.0軟件基于彈性法和經(jīng)典法計算得到的不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的壓力、彎矩、剪力及位移變形圖[10-11](圖中虛線表示彈性法，實(shí)線表示經(jīng)典法).

圖7　在3.6 m處加支撐時的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變化

圖8　開挖至7.0 m時的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變化

圖9　最后一次開挖完成后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變化

4　結(jié)果對比分析

4.1FLAC3D模擬、預(yù)測值與現(xiàn)場監(jiān)測值對比

通過理正軟件得到了三種不同計算方法的沉降曲線圖，如圖10所示，其中三角形法最大沉降量為14 mm，指數(shù)法最大沉降量為22 mm，拋物線法最大沉降量為11 mm.繪制FLAC3D、理正軟件計算和實(shí)測沉降值數(shù)據(jù)曲線[14-17]對比如圖11所示.

圖10　三種算法沉降曲線

圖11　沉降曲線對比

分析可以得知，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬得到的沉降最大值為22 mm，和指數(shù)法得出的沉降值一樣，比三角形法和拋物線法得出的沉降最大值稍大.最危險的位置分別出現(xiàn)在距離基坑30 m、20 m、1 m處，原因是由于FLAC3D建模過程的準(zhǔn)確性以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置比理正軟件更加保守，另外，內(nèi)支撐系統(tǒng)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用產(chǎn)生的效果使得土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的摩擦力增加，從而限制了距離基坑較近范圍內(nèi)的土體發(fā)生沉降.但FLAC3D數(shù)值模擬得到的沉降值和實(shí)際監(jiān)測得出的沉降值變化趨勢還是比較接近的，并且在實(shí)際工程中對于基坑支護(hù)設(shè)計要求一般都要偏于保守[18]，進(jìn)而在一定程度上說明了FLAC3D模擬地面沉降結(jié)果更適用于實(shí)際工程，具有參考價值.

4.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對比

繪制FLAC3D、理正軟件計算和實(shí)際監(jiān)測的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線對比圖如圖12所示.

圖12　圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線對比

由圖12可知，F(xiàn)LAC3D模擬得到的位移曲線、理正軟件得到的曲線和實(shí)際現(xiàn)場監(jiān)測曲線非常相近，施工完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)的FLAC3D位移模擬值為25 mm，而理正軟件的預(yù)測值為20 mm，實(shí)際現(xiàn)場監(jiān)測最大水平位移30 mm.理正軟件計算過程中忽略了實(shí)際工程中各個工況對于土體和支護(hù)影響的聯(lián)系，F(xiàn)LAC3D模擬過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)等效為地下連續(xù)墻體，在內(nèi)支撐的作用下不會發(fā)生塑性變形，而實(shí)際施工過程中受周圍環(huán)境不斷變化的影響，水平位移偏大都在合理的安全變化值范圍之內(nèi)，鑒于考慮基坑支護(hù)設(shè)計的保守性，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬對于實(shí)際工程有著一定的指導(dǎo)意義.

5　結(jié)　論

FLAC3D軟件能夠很好地對基坑分步開挖和支護(hù)進(jìn)行模擬，非常符合實(shí)際的開挖過程.分析表明，F(xiàn)LAC3D模擬值略大于規(guī)范計算值，更加偏于保守，模擬得到的地表沉降量和圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與實(shí)際監(jiān)測變化曲線基本相同.模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線非常接近，如果建模技術(shù)更加完善，F(xiàn)LAC3D軟件可以很好地預(yù)測基坑開挖過程，并且比理正設(shè)計軟件更加全面、直觀形象.

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(責(zé)任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Application of numerical simulation for excavation and supporting of deep foundation pit based on FLAC3D

XU Ling1, CHEN Ge-ji1, LIU Shuai2

(1. School of Civil Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China; 2. Fourth Engineering Department of 403 Team, Metallurgical Geology Exploration Bureau of Liaoning Province, Anshan 114021, China)

In order to solve the deformation security issues of ground surface and supporting structure during the supporting and excavation of internal brace row-pile deep foundation pit and provide the reference basis for the engineering design and calculation of foundation pit, the excavation simulation was conducted with software FLAC3Dfor a certain deep foundation pit with internal brace row-pile supporting in Yingkou. The comparison and analysis were performed in combination with the actual monitored value and the calculated value obtained with Lizheng software. The results show that the maximum displacement of ground surface and supporting structure obtained with FLAC3Dnumerical simulation and Lizheng software is 22, 25, 22 and 20 mm, respectively. The maximum displacement of ground surface and supporting structure obtained with the field monitoring is 26 and 30 mm, respectively. In the excavation and supporting processes of deep foundation pit, the software FLAC3Dcan not only well simulate the horizontal displacement of ground surface subsidence and supporting structure under different operating conditions, but also obtain better simulating effect for the horizontal displacement of supporting structure.

deep foundation pit; internal brace; row-pile; numerical simulation; Lizheng software; monitoring value; horizontal displacement; ground surface subsidence

2015-05-18.

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAJ11B02-11).

徐凌(1963-)，女，遼寧丹東人，教授，博士，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論、組合結(jié)構(gòu)設(shè)計理論等方面的研究.

建筑工程

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.01.16

TU 470

A

1000-1646(2016)01-0091-06

*本文已于2015-09-15 00∶01在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20150915.0001.004.html