基于FLAC3D深基坑變形規律研究

裴 迅

（鄭州工業應用技術學院，鄭州451100）

1 國內外研究現狀

20世紀40年代，Terzaghi[1]和Peck[2]等人通過大量的工程分析和研究，提出了預估挖方的穩定程度和支撐受荷大小的總應力法，并在以后的工程應用和分析研究中做了許多改進與修正；20世紀50年代，Bjeruum和Eide通過對基坑開挖過程中底板隆起量的分析和研究，總結出了確定基底隆起的方法[3]。

我國的深基坑支護結構設計出現的時間相對較晚。20世紀70年代，基坑工程逐漸出現在人們的視野，其特點是開挖深度較淺且沒有相鄰建筑物；20世紀80年代以來，由于北京、上海、深圳等大型城市快速發展及人口的迅速增加，高層及超高層建筑拔地而起，這些建筑的基礎施工，成為基坑工程的主要內容；20世紀90年代以后，舊城改造成為我國大部分城市的主題，然而此時的深基坑施工則是在建筑物密集的市區內進行，給這一古老基坑支護課題注入了新的血液，即如何確保基坑開挖過程中周圍建筑的安全。但是，由于基坑工程是一項系統工程，影響因素眾多、設計與施工脫節，工程中發生安全事故的概率仍然很高[4-5]。

2 深基坑變形機理

深基坑施工過程中，隨著土體的開挖，基坑底部由于荷載消除，土壓力促使土體產生向上為主的位移，同時圍護結構隨著開挖深度的增加，兩側受力不平衡產生向基坑內為主的位移，基坑周圍地層也隨之產生移動。基坑因變形而表現出來的三種位移主要有：基坑底部隆起、圍護結構的變形和坑外地表的沉降。三種變形的產生都是由于基坑土體的卸荷而產生的，因此三種變形是相互聯系的。

3 工程簡介

3.1 工程概況

城際鐵路因具有占地少、速度快和運量大的特點得到各大城市的喜愛。鄭機城際鐵路將承擔新鄭機場至鄭州、開封、許昌等城市的客流，對縮短人們的出行時間、實現鄭州地區與周邊城市“半小時”經濟圈創造有利條件，同時對提升中原城市群綜合競爭力起著關鍵性的作用。本期施工為鄭機城際鐵路地下段第Ⅳ標段，總長為5 216.1m，設計起止里程為DK38+883.90～DK44+100。由于區間段結構斷面過大，擬采用明挖順作法進行施工，線路走向具體詳見圖1所示。

3.2 支護結構方案

擬建深基坑選用的支護方案為：先對第一層按照1:1.25的比例土進行放坡開挖，再施作圍護結構。基坑內采用三層鋼支撐體系：第一層位于冠梁處，選用直徑609mm，厚度t=12mm鋼管支撐，水平間距為3m；第二層位于冠梁下6m處，選用直徑609mm，厚度t=16mm鋼管支撐，水平間距為3 m；第三層位于冠梁下11m處，選用直徑609mm，厚度t=16mm鋼管支撐，水平間距為3m。其中，第一層鋼支撐軸力設計值為784 kN，第二層鋼支撐軸力設計值為2 754 kN，第三層鋼支撐軸力設計值為3 164 kN。各道鋼支撐按設計的30%～50%施加，并根據施工現場圍護結構的變形、受力監測情況調整實施。深基坑圍護結構見圖2所示。

圖1 線路走向圖

圖2 深基坑圍護結構斷面示意圖

4 基坑開挖數值模擬

4.1 整體模型的建立

深基坑工程變形規律和受力特性不僅與基坑平面形狀和開挖深度有關，而且與土方開挖順序、鋼支撐安裝是否及時等施工工序也密切相關。筆者主要模擬城際鐵路深基坑支護開挖，綜合考慮基坑周邊環境及土質條件，基坑開挖方式為：首先對基坑進行放坡開挖，開挖深度6m；然后對基坑進行支護開挖，開挖最大深度為16m。根據明挖隧道深基坑狹長的工程特點，同時考慮基坑變形對周邊環境的影響范圍及求解精度，選取60m×40 m×15m（寬×深×長）的區域建立FLAC計算模型，模型產生36 000個單元，40 016個節點。基坑整體模型如圖3所示。

圖3 深基坑模型及單元劃分

4.2 計算工況

基坑支護模型可以在任意時刻添加，避免支撐因重力場而提前發生變形，要盡可能與實際施工工序相一致。基坑支護開挖數值模擬的具體實施步驟如下：

①綜合考慮工程尺寸及開挖影響范圍建立三維模型，并進行土體平衡運算形成初始地應力場；

②對第①步平衡計算所產生的位移歸零，并保留初始地應力；

③通過modelnull命令對基坑進行放坡開挖，并對基坑受力進行平衡計算，得到基坑放坡開挖后的應力場和位移場，設置錨桿對邊坡進行支護；

④基坑進行第一層土體開挖，經受力平衡計算得到開挖后的應力場和位移場，并設置第一層鋼支撐；

⑤重復步驟④，直至基坑開挖完成并進行平衡計算，得到基坑開挖后的應力場和位移場。

深基坑施工工況：

工況一：按照1:1.25坡度進行放坡開挖，開挖深度6m；

工況二：鉆孔灌注樁圍護結構施工；

工況三：第一層土體開挖，深度為2m；

工況四：在冠梁下0.5m處施作第一層鋼支撐，第二層土體開挖，深度為9m；

工況五：在冠梁下6m處施作第二層鋼支撐，第三層土體開挖，深度為14m；

工況六：在冠梁下11m處施作第三層鋼支撐，第四層土體開挖至基坑底部，深度為16m。

4.3 數值模擬分析

4.3.1 基坑水平位移分析

結合基坑工程實際施工工況，運用有限差分數值模擬軟件FLAC3D，模擬基坑支護開挖全過程，研究圍護結構水平位移變形規律。基坑支護開挖過程中，由于開挖面應力釋放而導致圍護結構兩側受力不平衡，在基坑外側土體主動土壓力和基坑內土體被動土壓力的共同作用下，圍護結構產生水平位移。圖4為FLAC模擬下的基坑水平位移云圖。

從圖中可以看出，在基坑開挖到3m處時，對圍護樁水平位移影響較小，隨著開挖深度的增加和鋼支撐的架設，圍護樁水平位移逐漸增大，且樁體變形曲線由懸臂式轉變成“弓”字形曲線。基坑開挖施工過程中，圍護樁最大水平位移為16mm，且控制在樁體水平位移最大允許值50mm內。

4.3.2 基坑豎向位移分析

圖5為基坑豎向位移發展趨勢：基坑開挖初期，地表沉降明顯增加，且距離圍護樁體越近地表沉降越大。隨著開挖深度的增加，基坑底部位移由最初的沉降轉變成坑底土體向上隆起，與實際工程中因土體開挖卸荷導致坑底土體隆起相一致。在基坑開挖過程中，由于鋼支撐對圍護樁的限制作用，坑底隆起雖然繼續增大，但變化率趨于穩定。

圖4 工況六水平位移（單位：m）

圖5 工況六豎向位移（單位：m）

5 結論

筆者以鄭機城際鐵路隧道深基坑為工程背景，采用數值模擬的方法，研究了深基坑工程中鉆孔灌注樁+鋼支撐支護體系的受力特征及變形規律，研究了影響支護體系穩定性的主要因素。主要內容和結論如下：

1）采用FLAC3D數值模擬軟件對基坑施工過程進行了模擬及變形監控，模擬計算結果和現場監測數據變化趨勢基本一致。表明模型的建立、本構關系的選擇及參數的選取是合理的，且能夠體現基坑變形的一般規律。

2）樁體水平位移的模擬結果表明，圍護樁最大水平位移發生在基坑開挖深度2∕3左右的位置。

3）采用FLAC3D數值模擬軟件對基坑施工過程進行了模擬及變形監控。通過對兩組數據變形規律的研究，暴露出施工過程中支護不及時、開挖面無支撐暴露時間長、鋼支撐影響土方開挖、施工周期長等問題，FLAC3D模擬過程中未考慮現場施工因素對支護體系的影響。

4）深基坑支護體系作為一種臨時的支擋結構，要統籌兼顧工程安全和經濟合理的關系。因此，通過數值模擬手段正確分析基坑的變形規律和受力特征，對基坑工程的設計和施工有著重要的意義。