復合土釘深基坑支護FLAC 3D變形分析

摘 要：FLAC 3D數值模擬軟件，可以根據不同時空情況針對深基坑支護工程進行模擬計算，分析基坑支護前后的受力及變形情況，簡單易行，有很強的工程指導性。文章針對某復合土釘深基坑工程實例，選用FLAC 3D模擬基坑的分步開挖和復合土釘支護，對基坑地表沉降、坑底垂直位移、側壁水平位移進行分析，得到了關于分步開挖下基坑變形的幾點結論。

關鍵詞：復合土釘；深基坑支護；基坑變形；FLAC 3D；數值模擬

中圖分類號：TU476 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）35-0144-02

復合土釘作為基坑邊坡支護的一種施工工藝，施工工藝簡單，支護效果可靠，且不占據基坑作業空間，該項技術在多地基坑支護中得到廣泛應用，被視為一種深基坑支護的常用施工方法。目前復合土釘墻施工工藝較為成熟，但是針對其支護原理、支護效果的理論研究相對落后，基坑分布開挖支護情況下土體受力特征、基坑變形規律及各影響因子相互關系亟需理論研究，基坑開挖支護模擬試驗由于受到時空限制和加載條件，很難模擬基坑真實受力和變形情況，具有很大的局限性；而現場模擬試驗由于場地和試驗周期原因，一般也很少被采用；FLAC 3D數值模擬操作簡便，效果可靠，可以模擬不同的工況下基坑自身和支護結構的受力及變形規律，根據實際工程條件選用合理模型，根據地勘資料篩選合理工程參數進行數值模擬，可以得出具有工程指導意義的結論和建議。

本文針對某個復合土釘深基坑工程實例，選用FLAC 3D數值模擬的方法對分步開挖、支護下基坑水平、垂直位移進行分析，得出基坑在分步開挖、支護情況下的位移發展趨勢，從而可以安全有效的指導基坑設計和施工，達到安全、經濟、可靠的目的。

1 建立模型并分步開挖、支護

某基坑工程，按照基坑設計文件，開挖土石方工程量約計：75 m×60 m×10 m=45 000 m3，基坑施工工期50 d，采用復合土釘支護。采用Mohr-Coulomb模型進行模擬計算，假設基坑變形為大變形。基坑模型影響范圍為：水平方向為5倍基坑深度，高度方向為2倍開挖深度，基坑周圍近距離較為空曠，基坑受力及變形情況相對于基坑中心線呈對稱分布，由此可取1/4基坑開挖部分作為研究模型，為95 m×75 m×22 m，開挖區域進行了加密劃分單元，地下止水帷幕范圍單獨劃分單元；采用樁結構單元（pile單元）模擬微型鋼管樁；基坑周邊攪拌樁止水帷幕視為一定厚度、高強度、不透水的地下連續墻；采用襯砌結構單元（liner單元）模擬鋼筋網；采用錨索結構單元（Cable單元）模擬土釘。

所建模型的邊界條件定為：在對稱面上約束兩法向變形，底面及剩余兩側面設為固定端，模型上表面為自由端，假設基坑模型變形模式為大變形。基坑坑內、坑外水位人工降至基坑底板下一定深度處，且待土體固結沉降趨于穩定后進行基坑開挖和支護，故進行數值模擬分析時可不考慮地下水作用。根據基坑6部開挖、支護方案，依次進行模擬，第一部和第六部開挖深度為2.5 m，中間四部開挖深度為1.5 m，每部開挖之后均采用復合土釘進行支護。在模型中選取若干特征點作為基坑變形趨勢觀測點。基坑模型開挖、支護情況和特征點選取位置詳見圖1。

2 數值模擬結果分析

2.1 復合土釘支護下地表沉降分析

經過數值模擬得出基坑在分步開挖、支護情況下坑外地面沉降量值，其變形規律見圖2，統計發現，坑外距離攪拌樁10.2 m處取得最大沉降值（23.927 mm），此值于第六步開挖后出現；分別在距攪拌樁0 m、2.5 m、6.5 m、12.5 m、20.5 m處埋設沉降監測點并實時觀測，地表沉降實際變形規律見圖3，統計發現，坑外距離攪拌樁6.1m處取得最大沉降值（20.799 mm），此值于第六步開挖后出現。對比數值模擬結果和沉降觀測數據可以發現最大地表沉降模擬值和實際觀測數據相差約3.15 mm，可認為模擬結果能被接受。

從模擬的結果中可以得出以下推論：

①隨著基坑不斷開挖加深，坑外地面沉降值也不斷增大，地表最大沉降點逐漸遠離基坑向外發展。

②距離攪拌樁較近位置地面沉降較小，隨著距離增大，地面沉降逐漸加大，在某一點處取得最大值后又逐漸減小，其變形規律表現為一個“凹”形沉降槽；究其原因，攪拌樁周圍土體受到剛度較大的樁體支撐以及二者之間形成樁土摩擦效應，從而導致莊周地面沉降較小。

③各開挖步驟所導致的地面沉降曲線形狀類似。其中地表最大沉降值出現在最后一步開挖之后。

④基坑開挖引起的地面沉降的影響范圍約為兩倍開挖深度，其中一倍開挖深度范圍內的沉降量較大。

2.2 復合土釘支護下坑底垂直位移分析

坑底位移云圖如圖4所示。觀察分析圖4，作出以下總結：

①坑壁和坑底交界處基坑回彈值較小，距離坑壁越遠，坑底回彈值越大。回彈增速剛開始較快，之后逐漸變慢，最后回彈量趨于平穩。

②隨著基坑不斷開挖，坑底回彈量呈現不斷增大趨勢，開挖深度越大，回彈量越大，兩者呈現正相關關系。

③各開挖步驟所導致的坑底回彈曲線形狀類似。兩倍開挖深度范圍內變化速度最快，最大回彈值出現在坑底中部。

由于土體的自立性較差，基坑開挖前，土體在原始地應力下穩定，分步開挖后坑壁、坑體土體卸荷導致坑壁土體向臨空面移動產生變形，從而致使坑底土體回彈隆起。在實際基坑開挖過程中，開挖過程中回彈明顯，且伴隨開挖回彈值急劇加快，當開挖結束完成支護后，坑壁土體受到較大約束，回彈值明顯減小，基坑變形趨于穩定。伴隨開挖深度不斷加大，坑底回彈值逐漸加大，其變化呈現為“S”形曲線，該曲線拐點出現于開挖深度約7.0 m處，開挖深度小于7.0 m時坑底回彈曲線較緩和，超過7.0 m后，回彈隆起速率相應加快。

2.3 復合土釘支護下基坑側壁水平位移分析

在基坑壁后土壓力作用下，坑壁產生水平位移。本基坑工程在坑壁樁頂埋設有水平位移觀測點，基坑分步開挖引發的的樁頂水平位移監測值與數值模擬結果見圖5。經對比發現，二者區別不大。

觀察分析圖5、6可得，樁頂水平位移較小，符合規范要求。究其原因是土釘、樁體的水平錨固作用，從而致使土體抗剪強度增大，有效地限制了土體向臨空方向的變形。伴隨基坑不斷開挖，樁體上部逐漸向臨空面移動，其水平位移隨著開挖深度增大而逐漸增加，在基坑穩定范圍內，增大速率比較穩定，兩者基本呈現正相關關系。當開挖深度繼續增加時，樁頂水平位移的變化速率有所增大。

基坑分步開挖下側壁水平位移的數值模擬結果參見圖6，最大側壁水平位移值為16.851 mm，于第六次開挖后在基坑深度6 m處取得。

分析圖6，可得出如下結論：

①伴隨基坑開挖，坑壁向基坑臨空面移動，開挖深度越大，水平位移增加速率越快。

②采用復合土釘支護基坑，坑壁發生最大水平位移處位于坑體開挖深度的中部偏下位置，該位置隨著基坑不斷開挖逐漸向下部移動。

③坑壁的水平位移曲線向臨空面凸起，在開挖深度方向上水平位移逐漸增大，增至最大值之后又逐漸減小。

2.4 復合土釘支護位移綜合分析

對復合土釘支護下的地表沉降結果、坑底垂直位移、基坑側壁水平位移結果進行綜合分析。

首先，基坑側壁位移導致壁后土體同時產生位移，位于坑壁外主動土壓力區土體向基坑臨空方向產生變形，導致坑壁背后的土體水平應力降低，土體剪切應力逐漸增大，從而在土體中形成塑性區。

其次，坑底臨空面以下壁后被動土壓力區的土體向坑內臨空面產生水平位移，導致基坑底部土體水平應力加大，從而使得坑底土體剪應力增大發生水平向擠壓，同時由于土體的卸荷，從而引起坑底土體向上回彈隆起，在坑底處形成局部塑性區。

最后，隨著主動土壓力區土體向坑內發生位移，側壁外側土體的塑性區也在逐漸擴大，從而引起側壁外側的地表沉降。

因此可以推斷側壁的變形是周圍地層移動的重要原因，如何控制好側壁的位移是基坑工程設計與施工需要解決的重要問題之一。

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