某地鐵車站基坑工程的FLAC3D數值模擬分析

曹日躍

(安徽建筑大學土木工程學院， 安徽　合肥　230601)

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某地鐵車站基坑工程的FLAC3D數值模擬分析

曹日躍

(安徽建筑大學土木工程學院， 安徽合肥230601)

[摘要]運用FLAC3D巖土軟件對某地鐵一號線深基坑進行開挖與支護的模擬，計算中采用摩爾-庫倫彈塑性模型.通過計算得出基坑水平位移、墻后土體水平位移、地表沉降，并與實測結果進行比較，可為深基坑工程施工與支護提供參考.

[關鍵詞]FLAC3D；基坑開挖與支護；地表沉降

近年來，我國經濟飛速發展，城市化率越來越高，城市建設、交通水利等建設取得了令人矚目的成績.城市化不斷發展，產生了大量的基坑開挖工程，而且基坑開挖規模越來越大，基坑開挖的深度也越來越深，面臨的安全風險也越來越大.深基坑開挖工程不僅對技術要求非常高，而且面臨的工程情況非常復雜，一旦出現問題后果將會非常嚴重，處理難度很大.基坑的變形和應力狀態是一個支護結構與土體共同作用的問題[1].這是一個復雜的力學過程，目前尚不能定量分析.目前研究地下工程巖土體的穩定性和應力應變問題一般采用軟件模擬與實測值相比較給出定性的分析，主要采用的是理論導向、現場監測和經驗判斷三者相結合的方法[2].

1FLAC3D簡介

FLAC3D[3]是快速拉格朗日差分分析(Fast Lagrangian Analysis of Continuum)的簡寫.它是有限差分軟件，能夠動態模擬計算巖土體受力與變形形態.相對于其他有限元軟件，FLAC3D在模擬巖土體的屈服、塑性流動、蠕變直至大變形有其獨特的優勢.FLAC3D軟件具有很強的解決復雜巖土工程問題的能力，在國際巖土工程學術界享有盛譽.

2本構模型的介紹

摩爾-庫倫模型是以摩爾-庫倫破壞準則為計算基礎，并以摩爾-庫倫強度線作為屈服線.破壞準則方程可表示為：

(1)

(1)式中，σ1和σ3分別為最大主應力和最小主應力，φ為土的內摩擦角，C為土的黏聚力.

該模型作為理想彈塑性模型，僅包含一個破壞面，應力大小在破壞面以內表現出彈性變形.當應力大小達到破壞面上時，變形表現為理想彈塑性特征，應力水平基本不變，變形無限增大.如圖1所示.

摩爾-庫倫模型參數較少，包括彈性模量E、泊松比ν、黏聚力C、內摩擦角φ.

3FLAC3D模型的建立

3.1工程背景

本文分析某地鐵車站中的深基坑開挖.基坑長450 m，標準斷面寬度為20.7 m，底板埋深為17 m，基坑巖層根據地勘報告確定，結構面發育良好，層厚較小，為Ⅳ級圍巖模型.近似處理為均勻巖體.

圖1　理想彈塑性模型應力應變關系

基坑施工采用明挖順作法施工.該基坑圍護結構采用地下連續墻加三道內撐的支護體系.第一道采用鋼筋混凝土支撐，第二、第三道采用鋼支撐并施加預應力.

3.2建立模型

建立正確的工程模型是數值模擬計算的重要前提[4].本文模型包括兩部分： 第一部分是土體和地下連續墻，第二部分是混凝土支撐和鋼支撐.

根據實際基坑開挖的邊界，確定沿基坑軸線向里增大的方向為Y 軸正方向，基坑橫斷面向右方向為X軸正方向，豎直向上為Z軸正方向.根據對稱原理，原點建立在基坑開挖中心處[5].數值模型的計算范圍為：寬度長20 m，開挖深度19 m，基坑長度36 m.根據地勘報告，模型劃分為5個土層.本例圍護結構可以采用襯砌單元模擬.根據實際工程經驗取影響范圍為4倍開挖深度，整個模型尺寸為80×144×76 m，模型共11 086個節點，9 506個單元.如圖2所示.

圖2　基坑模型

3.3計算參數

模型共有3種材料：土體、混凝土、鋼材.土體材料使用M-C模型，其他都采用各項同性的的彈性模型.開挖部分采用null模型.各材料的參數如表1和表2所示.

表1　土體材料參數

表2　混凝土及鋼材材料參數

4工況及計算結果

數值模擬分析的工況要盡量與實際施工方案相近[6].本基坑施工步驟如下：工況一在基坑開挖至一定深度后澆筑第一道混凝土支撐，等到支撐達到設計強度后，土方開挖至第二道鋼支撐；工況二安裝第二道鋼支撐，施加預應力，土方開挖至第三道鋼支撐；工況三安裝第三道鋼支撐，施加預應力，土方開挖至第四道換撐；工況四安裝好第四道換撐，施加預應力，土方開挖至坑底標高；工況五澆筑基坑底板，在達到設計強度時拆除換撐.

4.1圍護結構變形

圖3反映了開挖最大不平衡力與時間(步長)的關系.從曲線中可以看出, 基坑圍巖不平衡力在變形的初期有較大幅度的調整, 隨后逐漸趨于穩定.當基坑開挖時，土體應力重分布，在基坑開挖的拐角處位移變形量較大，為基坑的最不穩定區域，在施工過程中應重視.

圖3　體系最大不平衡力

圖4反映了測點深度與地下連續墻變形的關系.由圖4可知，從工況一到工況二、工況三到工況四這兩個過程地下連續墻的側移變形很快.這是因為第二道鋼支撐的垂直高度較大，開挖時無支撐的土體暴露時間較長，所以墻體位移變形很快.為了基坑開挖的安全和控制土體變形，在施工中基坑內的支撐應合理安排，每次開挖的垂直高度應小點.

4.2地表沉降結果分析

分析圖5可知，在各個不同的工況下當進行基坑開挖時，地表會產生不同程度的沉降.由圖6可知，地表最大沉降大約發生在墻背后20 m處.隨著距離基坑邊緣越來越遠，沉降值越來越小并趨于某穩定值.與墻體側移一樣，地表沉降變形最快的階段也是第一、二工況和第三、四工況階段.這進一步說明了基坑無支護暴露時間越長，變形就越大.

圖4　地下連續墻側移

圖5　地表沉降位移云圖

圖6　地表沉降曲線

隨著基坑開挖的進行，地表沉降也逐漸增大，說明土體應力釋放使得地表沉降增大，在施工中應給予及時的支護，阻止變形加大并保證施工安全.

5結論

在計算得出墻后土體水平位移、地表沉降的模擬結果分析后可知，在基坑開挖初期，土體變形值不斷增加.此時施工應注重支護，布置基坑支護應盡量密些，并對施工技術給予改進，邊開挖邊支護，開挖的垂直高度也應有合理的設計.開挖基坑的地表沉降最大值位置大約是0.9倍開挖深度.基坑開挖對周圍土體的影響隨著距離基坑邊緣越來越遠，影響也越來越小.

從上述各個數值模擬計算圖可以看出，模擬結果與實測值大致吻合，說明FLAC3D用于基坑開挖后圍巖穩定性分析是非常有效的, 可以為以后的深基坑工程支護設計提供有效的工具.

[參考文獻]

[1]張飛，張朋，王瑞智，等. 基于FLAC3D的煤巷錨桿支護參數的模擬分析[J]. 煤炭工程，2011(6)：97-99.

[2]郭海燕，李勝林，張云. 深基坑開挖與支護的有限元模擬[J]. 中國海洋大學學報，2009(1):165-168.

[3]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,2013：2-5.

[4]周琪，晏航宇. 有限差分對高邊坡穩定性數值模擬分析[J]. 工程建設，2015(3):1-6.

[5]王亮. 水平旋噴樁成拱預加固隧洞開挖施工數值分析[J]. 重慶文理學院學報,2013(3):48-51.

[6]李佳宇，張子新. 圓礫層地鐵車站深基坑變形特征三維數值分析[J]. 地下空間與工程學報，2012(1):71-76.

(責任編輯穆剛)

Analysis of FLAC3D numerical simulation of foundation pit engineering for a metro station

CAO Riyue

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei Anhui 230601, China)

Abstract：The simulation of excavation and support on the deep pit of a metro station was carried out using the software FLAC3D. During the simulation, the Mohr-Coulomb model was used. This simulation offers the horizontal displacement of the soil behind the vertical wall and the surface settlement of the foundation pit in every step, providing a reference for the deep foundation pit engineering construction and support.

Key words：FLAC3D; foundation pit excavation and support; surface subsidence

[中圖分類號]TU473.2

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0098-04

[作者簡介]曹日躍(1991—)，男，安徽合肥人，碩士，主要從事地下工程結構優化與穩定性分析方面的研究.

[收稿日期]2015-10-15