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

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(duì)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(duì)第四工程處， 遼寧 鞍山 114021)

針對(duì)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(jì)與計(jì)算提供參考依據(jù)，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)營(yíng)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(jì)計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)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(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)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(cè)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(jì)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(gè)機(jī)理復(fù)雜的力學(xué)過程，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬和分析，無疑對(duì)于提高深基坑的設(shè)計(jì)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(jì)算對(duì)比分析研究相對(duì)較少，這種方法可以真實(shí)地反映研究對(duì)象的內(nèi)力與變形狀態(tài)，從而及時(shí)地對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)作出預(yù)測(cè)[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(duì)于其他支護(hù)方式具有顯著優(yōu)勢(shì).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(duì)較低廉，不需要使用大型機(jī)械，沒有振動(dòng)、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(yíng)口市某深基坑工程為例，用FLAC3D軟件對(duì)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(jì)算對(duì)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(jì)與施工過程提供指導(dǎo).

1　工程概況

營(yíng)口市某商場(chǎng)深基坑工程施工現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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(jí)為一級(jí)，場(chǎng)地等級(jí)為二級(jí)，地基等級(jí)為二級(jí)，巖土工程勘察等級(jí)為乙級(jí).

1.1場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

該工程場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件

本場(chǎng)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(duì)水樣進(jìn)行分析表明，地下水對(duì)混凝土具有微腐蝕，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在長(zhǎng)期浸水時(shí)具有微腐蝕.

1.3支護(hù)設(shè)計(jì)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(jì)算模型建立

由于基坑土層條件基本對(duì)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(duì)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(gè)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(gè)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(zhǎng)度為120 m，寬度為160 m，高度為20 m的基坑場(chǎng)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(gè)單元體，總計(jì)15 750個(gè)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(gè)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(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)上述計(jì)算模型和材料參數(shù)采用FLAC3D對(duì)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(jì)算分析

針對(duì)本工程采用理正深基坑6.0設(shè)計(jì)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(jì)算，計(jì)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(shí)的周邊環(huán)境影響，在計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變化

圖8　開挖至7.0 m時(shí)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(duì)比分析

4.1FLAC3D模擬、預(yù)測(cè)值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值對(duì)比

通過理正軟件得到了三種不同計(jì)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(jì)算和實(shí)測(cè)沉降值數(shù)據(jù)曲線[14-17]對(duì)比如圖11所示.

圖10　三種算法沉降曲線

圖11　沉降曲線對(duì)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(xiǎn)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(cè)得出的沉降值變化趨勢(shì)還是比較接近的，并且在實(shí)際工程中對(duì)于基坑支護(hù)設(shè)計(jì)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(jià)值.

4.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)比

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

圖12　圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線對(duì)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)值為20 mm，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最大水平位移30 mm.理正軟件計(jì)算過程中忽略了實(shí)際工程中各個(gè)工況對(duì)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(huì)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(jì)的保守性，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬對(duì)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(duì)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(jì)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(cè)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(cè)基坑開挖過程，并且比理正設(shè)計(jì)軟件更加全面、直觀形象.

[1]劉繼國(guó)，曾亞武.FLAC3D在深基坑開挖與支護(hù)數(shù)值模擬中的應(yīng)用 [J].巖土力學(xué)，2006，27(3)：506-507.

(LIU Ji-guo，ZENG Ya-wu.Application of FLAC3Dto simulation of foundation excavation and support [J].Rock and Soil Mechanics，2006，27(3)：506-507.)

[2]于丹，郭舉興，莊巖，等.某停車場(chǎng)深基坑支護(hù)方式的FLAC3D模擬分析 [J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，31(1)：39-40.

(YU Dan，GUO Ju-xing，ZHUANG Yan，et al.Simulation and analysis on the support method for deep foundation pit of a parking lot by FLAC3D[J].Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)，2015，31(1)：39-40.)

[3]孫書偉，林杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用 [M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

(SUN Shu-wei，LIN Hang，REN Lian-wei.Application of FLAC3Din geotechnical engineering [M].Beijing：China Water Power Press，2011.)

[4]周玲.深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力分布研究 [D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2009：10-12.

(ZHOU Ling.Research on the distribution of earth pressure on inner-brace retaining structure of deep excavation [D].Hangzhou：Zhejiang University of Technology，2009：10-12.)

[5]何頤華，楊斌.深基坑護(hù)坡樁土壓力的工程測(cè)試及研究 [J].土木工程學(xué)報(bào)，1997，30(1)：19-20.

(HE Yi-hua，YANG Bin.Study on the earth pressure of fender piles for excavations in real projects and model tests [J].China Civil Engineering Journal，1997，30(1)：19-20.)

[6]溫兆東.成都地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形研究 [D].成都：西南交通大學(xué)，2009：7-10.

(WEN Zhao-dong.Study on the mechanical beha-viours of retaining structure of excavation pit of subway station in Chengdu [D].Chengdu：Southwest Jiaotong University，2009：7-10.)

[7]吳江濱，王夢(mèng)怒.深基坑開挖中墻體系支護(hù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].巖土力學(xué)，2004，25(3)：470-471.

(WU Jiang-bin，WANG Meng-nu.Structural design optimization when using pile/wall retaining system for excavation of a deep foundation pit [J].Rock and Soil Mechanics，2004，25(3)：470-471.)

[8]鄭剛，李欣，劉暢.考慮樁間土相互作用的雙排樁分析 [J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2005，25(1)：99-100.

(ZHENG Gang，LI Xin，LIU Chang.Analysis of double-row piles in consideration of the pile-soil interaction [J].Journal of Building Structures，2005，25(1)：99-100.)

[9]呂彥菲.排樁內(nèi)支撐支護(hù)基坑的變形研究及優(yōu)化 [D].北京：北京建筑大學(xué)，2013：24-25.

(Lü Yan-fei.Study on the deforation of pile-bracing steucture and optimized design for it [D].Beijing：Beijing University of Civil Engineering and Architecture，2013：24-25.)

[10]楊柳.深基坑地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及數(shù)值模擬分析 [D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2013：30-38.

(YANG Liu.The design and numerical simulation analysis of deep pit diaphragm wall supporting structure [D].Handan：Hebei University of Engineering，2013：30-38.)

[11]武海英.深基坑工程復(fù)合支護(hù)計(jì)算分析與工程應(yīng)用研究 [D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2008：17-20.

(WU Hai-ying.A study on the calculation analysis of composite supporting structure of deep foundation pit and applications [D].Hefei：Heifei University of Technology，2008：17-20.)

(XIE Lei，DONG Li.Numerical simulation and monitoring of slope-pile anchor combined support structure for deep excavation [J].Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)，2015，31(2)：230-233.)

[13]郭力群，程玉果，陳亞軍，等.內(nèi)支撐基坑群開挖相互影響的三維數(shù)值分析 [J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35(6)：712-715.

(GUO Li-qun，CHEN Yu-guo，CHEN Ya-jun，et al.3D numerical analysis on the interaction of group foundation pits supporting with strut [J].Journal of Huaqiao University，2014，35(6)：712-715.)

[14]楊光華.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用 [J].巖土力學(xué)，2004，12(25)：1886-1887.

(YANG Guang-hua.Practical calculation method of retaining structures for deep excavations and its application [J].Rock and Soil Mechanics，2004，12(25)：1886-1887.)

[15]汪軍艦.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)空間線性有限元分析 [D].天津：天津大學(xué)，2007：55-60.

(WANG Jun-jian.The space linear finite element analysis of retaining structures for deep foundation pits [D].Tianjin：Tianjin University，2007：55-60.)

[16]李輝.大型基坑支護(hù)體系計(jì)算模型的分析與比較 [D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007：55-60.

(LI Hui.Analysis and discuss for large excavation retaining and protecting structure computational model [D].Shanghai：Tongji University，2007：55-60.)

[17]王曉偉，童華煒.考慮深基坑坑角效應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算 [J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7(3)：483-484.

(WANG Xiao-wei，TONG Hua-wei.Deformation calculation of supporting structure considering deep excavation pit corner [J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2011，7(3)：483-484.)

[18]陳燦壽，張尚根，余有山.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算 [J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(12)：2067-2068.

(CHEN Can-shou，ZHANG Shang-gen，YU You-shan.Prediction of retaining structure displacement in foundation pit [J].Chinese Journal of Rock Mecha-nics and Engineering，2004，23(12)：2067-2068.)

(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(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)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(jì)理論、組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)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