探討FLAC3D在深基坑開挖與支護(hù)數(shù)值模擬中的應(yīng)用

申強(qiáng)利 田明磊 陳俊

河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院（450003）

探討FLAC3D在深基坑開挖與支護(hù)數(shù)值模擬中的應(yīng)用

申強(qiáng)利1田明磊2陳俊3

河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院（450003）

首先介紹某商品寫字樓的深基坑開挖工程，進(jìn)而利用FLAC3D的計(jì)算模型來(lái)對(duì)該工程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合模擬方案對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

FLAC3D；深基坑；開挖與支護(hù)；數(shù)值模擬

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，高層建筑的需求也日益增加。深基坑開挖與支護(hù)的施工質(zhì)量也引起了較多學(xué)者的關(guān)注，通過(guò)對(duì)深基坑進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)模擬和分析，可以更好地控制工程的設(shè)計(jì)以及工程質(zhì)量。

1 工程案例

1.1 工程概況

某工程為32層的商品寫字樓建筑,地上30層,地下2層，建筑高度達(dá)108.0m，建筑物長(zhǎng)37.0m，寬31.5m，總建筑面積為20 477.0m2。基坑開挖12m（從地面算起，±0.00設(shè)計(jì)標(biāo)高為1085.50m）。該基坑周圍建筑物較密集，地下管道復(fù)雜，評(píng)定為二級(jí)重要性等級(jí)。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，該場(chǎng)區(qū)的地層結(jié)構(gòu)無(wú)較大的不良地質(zhì)現(xiàn)象，具體如下:

1）場(chǎng)區(qū)地層分布

①填土:場(chǎng)區(qū)內(nèi)分布不均勻，厚度達(dá)0.00～3.00m，主要構(gòu)成物質(zhì)為磚瓦、碎石、煤渣、雜色黏土等，層次性不強(qiáng)，結(jié)構(gòu)較為疏散，具有較高的強(qiáng)度和壓縮性。

②紅黏土:場(chǎng)區(qū)內(nèi)分布較為廣泛,厚度3.00～6.50m。土層呈褐黃色，上軟下硬，具有較低的強(qiáng)度和較高的壓縮性。

③基巖:地層產(chǎn)狀220°∠18°～22°，巖層呈深灰色或紫紅色，是三疊系松子坎組地層。

2）地下水

①上層滯水:一般存在于雜填土層的孔隙中,水量較小，且排泄方便，對(duì)深基坑影響較小。

②基巖裂隙水:地下靜水水位深度14.2～16.8m，本次深基坑開挖深度為12.0m，因此地下水的影響可忽略不計(jì)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 土體模擬

深基坑土層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了其力學(xué)特性的多樣性,由于土體容易產(chǎn)生不可恢復(fù)的彈性變形，因此,可運(yùn)用摩爾-庫(kù)倫的彈塑性模型對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析[1]。

1）屈服準(zhǔn)則

摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則為:

其中，c表示黏聚力，Ф表示摩擦角。

2）流動(dòng)準(zhǔn)則

在屈服之后，土體主要由彈性和塑性兩個(gè)特性構(gòu)成，這兩個(gè)變量的增加共同決定了土體的應(yīng)力變化[2]:

在FLAC3D中，剪塑性流動(dòng)以及拉塑性流動(dòng)分別具有不同的定義，且對(duì)應(yīng)不同的流動(dòng)法則。

剪塑性流動(dòng)對(duì)應(yīng)非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，其勢(shì)函數(shù)為:

其中φ為剪脹角。

拉塑性流動(dòng)對(duì)應(yīng)相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，其勢(shì)函數(shù)為:

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬

采用FLAC3D中的錨索結(jié)構(gòu)對(duì)土釘進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用FLAC3D中的殼結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土面進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體參數(shù)如表1、表2。

表1 土釘?shù)牟牧咸匦?/p>

表2 混凝土面層參數(shù)

2.3 模擬方案

該工程開挖深度為12.0m，長(zhǎng)37.0m，寬31.5m。整體的開挖及支護(hù)分為4個(gè)步驟完成:開挖3m的深度,將第一層鋼支撐設(shè)置在2m深的位置;繼續(xù)開挖至6m,將第二層鋼支撐設(shè)置在5m深的位置；繼續(xù)開挖至9m,將第三層鋼支撐設(shè)置在8m位置；繼續(xù)開挖至12m，將第四層鋼支撐設(shè)置在10m位置。

2.4 結(jié)果分析

按照開挖及支護(hù)的步驟，利用FLAC3D進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，分別表現(xiàn)為地表沉降情況、水平位移情況以及基底隆起情況。

1）地表沉降情況

隨著開挖深度的不斷加深，地表的沉降值不斷增大，沉降值在0.0～38.0mm之間波動(dòng)，最大沉降值38.0mm出現(xiàn)在基坑開挖的第四步。

2）水平位移情況

基坑深度的不斷加大會(huì)造成土體水平位移的增大，水平位移值在0.0～30mm，水平位移的最大值總是出現(xiàn)在每一開挖步驟完成后，主要是因?yàn)橥馏w的開挖促使墻體前后的水土壓力平衡遭到破壞，每當(dāng)一段開挖步驟完成，墻體會(huì)出現(xiàn)一定程度的水平變形來(lái)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

3）基底隆起情況

在開挖深度不斷增加的情況下，基底隆起的位移也不斷加大,位移值在0.0～40.0mm之間波動(dòng)，最大位移值40.0mm出現(xiàn)在基地中部。

3 結(jié)語(yǔ)

以某商品寫字樓的深基坑開挖工程為例,對(duì)其進(jìn)行了FLAC3D數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明在深基坑開挖的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的沉降及水平位移，只有加強(qiáng)對(duì)基坑開挖過(guò)程中變形的控制，才能保證工程的質(zhì)量。可見(jiàn)，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬分析可以對(duì)深基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，有利于工程的設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程的控制。

[1]郭海燕,李勝林,張?jiān)?等.深基坑開挖與支護(hù)的有限元模擬[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,39(1):165～168.

[2]柳玉吾,褚衛(wèi)瑞.深基坑開挖及支護(hù)數(shù)值模擬基本過(guò)程研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2012,08(12):5～6.