基坑工程直立開挖支護的FLAC3D數值模擬分析

許世雄

(中國建筑科學研究院地基基礎研究所，北京 100013)

0 引言

基坑放坡開挖的形式是最早的一種基坑開挖方式［1］，該方法要求周邊存在比較空曠的施工場地，并且該方法土方量一般會非常大，同時要選擇合理的開挖坡度，以保證開挖坡體的穩定性。而當擬建建筑處于建筑物較密集，或周邊環境［2，3］條件比較嚴苛，或對位移要求比較高的時候，就要采用位移控制滿足要求的直立開挖支護方式［2-4］。

本文將模擬均質土基坑直立開挖支護結構來進行模擬分析，獲得在以變形控制為主的支護設計方案進行比選時提供一些參考建議。

1 數值模擬分析

1．1 建模基本假定

1)土體假定為均勻、各向同性的彈塑性體，土釘考慮成彈性結構體;

2)不考慮坡頂超載作用對坡體穩定及位移變形發展的影響作用;

3)不考慮地下水及孔隙水壓力對支護結構的作用，不考慮滲流影響［5］。

1．2 分析目的

本文基于均質土基坑開挖分別建立開挖不支護坡體、純土釘支護坡體、攪拌樁復合土釘支護坡體3種工況下的開挖模型進行運算分析。首先，對無支護條件下的均質土基坑的開挖過程進行模擬，分析其破壞狀態;再次，在模型中設置土釘結構進行支護并開挖，對純土釘結構支護后的基坑邊坡的變形進行了模擬分析;最后，對水泥土攪拌樁復合土釘支護結構體系對基坑開挖的支護效果進行了模擬，對基坑位移變形特性進行分析，總結出一些具有參考價值的結論。

1．3 土體本構模型

因FLAC3D程序中的Mohr-Coulomb模型在巖土工程仿真模擬研究中得到極其廣泛的應用［6］。本文選用Mohr-Coulomb彈塑性模型作為土體本構模型。

1．4 結構單元

在數值模擬的過程中，土釘結構采用錨索單元［6，7］。因水泥土攪拌樁(墻)與土體一樣采用實體單元來對其材料賦值進行模擬［8］。

1．5 邊界條件

因實際工程中的開挖過程對模型邊界的應力及應變影響較小，故對模型的前面、后面和底面三面都施加固定約束，兩個側面僅對Y方向固定。這樣，模型將近似服從靜止土壓力分布形式［7，8］。

1．6 建模過程

1)參數情況。

土體:粘聚力c=18 kPa，內摩擦角φ=22°，重度G=18 kN/m3，泊松比 ν=0．3，彈性模量取E50=16 MPa。

攪拌樁:粘聚力 c=400 kPa，內摩擦角 φ=35°，重度 G=21 kN/m3，泊松比 ν=0．25，彈性模量 E50=600 MPa。

土釘:直徑 Φ =28 mm，橫截面面積為 xcarea=8．5e－3，釘體彈性模量為emod=200e9Pa，漿體與土體的粘結強度為100e3N/m，漿體剪切剛度為200 kPa，鉆孔周長為0．314 m，漿體內摩擦角為25°。

2)建模過程。

因基坑坡體最危險的部位位于基坑長邊的中間，因此本文將以該部位作為分析對象，在Y方向取一列土釘的寬度來進行簡化并且建立模型。模型寬度(即土釘的水平間距)1．2 m，攪拌樁厚度1 m，模型整體高30 m，長50 m，如圖1所示。土釘為鉆孔注漿釘，直徑100 mm，土釘長度如表1所示，土釘傾角15°，水平間距1．2 m，豎向間距1．4 m，設置每步開在基底以上0．5 m位置施工土釘。

圖1 FLAC3D模型

表1 土釘長度情況 m

具體模擬過程如下:

a．未支護、純土釘支護基坑開挖模擬過程為:建立模型，運行至初始平衡狀態;開挖1．6m，運行至平衡、保存結果;開挖1．4m，運行至平衡、保存結果;重復上一步至程序運算收斂;

b．攪拌樁復合土釘支護基坑開挖模擬:建立模型，運行至初始平衡狀態;設置攪拌樁;開挖1．6 m、設置土釘、運行至平衡、保存結果;開挖1．4 m、設置土釘、運行至平衡、保存結果;重復上一步至程序運算收斂。

綜上，本次利用FLAC3D程序最終建立的模型以及選取的坐標系統如圖1所示。

2 數值模擬結果分析

本文將對開挖未支護的基坑坡體、純土釘支護的基坑坡體及攪拌樁復合土釘支護的基坑坡體過程進行仿真模擬，之后將獲得的結果進行分析。

2．1 基坑未支護開挖模擬

基坑開挖未支護條件下，獲得的結果如圖2所示。

圖2 基坑未支護時變形示意圖

依據模擬確定的參數，計算獲得直立開挖基坑的坡體自立穩定高度為3．0m。因此，模擬中基坑開挖到第二步，即開挖至－3．0 m時，開挖坡體已達到土體彈性強度極限。第三步土體開挖之后，最大不平衡力不再收斂，即表示邊坡進入了塑性流動狀態，位移迅速變大，最終開挖至基底后，坡體水平最大位移為2．903 m，顯然坡體已經因位移過大而坍塌。

2．2 純土釘支護基坑開挖坡體模擬

對純土釘支護的開挖坡體模擬后獲得的結果如圖3所示。土釘支護就是在土體內設置一定長度和密度的土釘，它與土體協同工作形成復合土體，增強了坡體的穩定能力，從而能夠支擋其后土體。

如圖3所示，基坑經分步開挖到基坑底后，經土釘加固的坡體最大水平位移值為0．172 m，表明土釘復合土體具有有效控制土體位移發展的作用。

圖3 純土釘支護開挖坡體變形云圖

2．3 攪拌樁復合土釘支護基坑開挖坡體模擬

對攪拌樁復合土釘支護的開挖坡體模擬后獲得的結果如圖4，圖5所示。

圖4 攪拌樁復合土釘支護開挖坡體變形云圖

模擬結果經分析表明:攪拌樁和土釘組合起來形成復合支擋結構，發揮其組合支護效果，從模擬分析獲得的水平位移結果如圖6所示分析得知，攪拌樁復合土釘支護基坑的水平位移為0．033 m，與同條件的攪拌樁支護相比降低了87．0%，與同條件的純土釘支護相比降低了80．8%。所以在綜合運用攪拌樁與土釘墻的聯合結構進行基坑支護，較單獨使用時能夠在控制坡體位移等方面將獲得明顯效果。

圖5 攪拌樁復合土釘支護開挖坡體變形矢量圖

圖6 坑壁水平位移曲線

3 結語

1)均質土層的基坑在無支護、純土釘支護、攪拌樁支護和攪拌樁土釘支護體系三種工況下跟隨開挖進程，受影響土體的范圍逐漸擴大，變化輪廓曲線呈弧形向下分布發展;

2)均質土基坑在開挖較淺，還未設立支撐時，發生朝向基坑方向的水平位移，即墻頂位移最大，墻體繞底部以下某一點向坑內傾轉。隨著基坑開挖深度的增加，墻體繼續表現為向基坑內的三角形水平位移或者平行剛體位移，在設置支撐后，墻體水平位移趨于不變或逐漸向基坑外移動，墻體腹部向基坑內凸出。待開挖到最后一步到達基坑底部之后，最大位移出現在距坑底一定的高度位置;

3)在綜合運用攪拌樁與土釘墻的聯合結構進行基坑支護，較單獨使用時能夠在控制坡體位移等方面將獲得明顯效果。攪拌樁和土釘組合起來形成復合支擋結構，發揮其組合支護效果，從模擬分析獲得的水平位移結果分析得知，攪拌樁復合土釘支護基坑的水平位移與同條件的攪拌樁支護相比降低了87．0%，與同條件的純土釘支護相比降低了80．8%。

［1］許溶烈．對我國地基基礎工程技術發展的回顧和思考［J］．施工技術，1988(4):67-69．

［2］龔曉南．關于基坑工程的幾點思考［J］．土木工程學報，2005(9):15．

［3］姚愛敏，孫世國，劉玉福．錨桿支護現狀及其發展趨勢［J］．北方工業大學學報，2007(3):31-33．

［4］陳肇元，崔京浩．土釘支護在基坑工程中的應用［M］．第2版．北京:中國建筑工業出版社，2000:1-10．

［5］JGJ 120-1999，建筑基坑支護技術規程［S］．

［6］管 飛，尹 驥．復合土釘支護作用機理及設計原理［J］．地下空間與工程學報，2007(1):183-184．

［7］李 建．水泥攪拌樁復合土釘在基坑支護中的應用研究［D］．長沙:中南大學，2010．

［8］陳育民，徐鼎平．FLAC/FLAC3D基礎與工程實例［M］．北京:中國水利水電出版社，2009．