基于 FLAC3D 的深基坑樁錨支護數值模擬分析

陳 莘，時賢龍

（南京市市政工程質量安全監督站，江蘇 南京 210036）

0 引言

隨著國民經濟建設步伐的加快，高層建筑、城市地下交通以及大型地下市政設施的興建使得基坑工程深度、寬度和體積在不斷變大［1］，因此對基坑工程的支護體系不斷提出更高的要求，不僅要確保坑壁自身的穩定性，還需要確保相鄰建筑和基礎設施的安全穩定［2］。

本文對深基坑的樁錨支護設計進行研究，針對具體工程，采用FLAC3D軟件對支護結構模擬分析，分析基坑的最大不平衡力、水平位移以及錨桿軸力的變化規律，進而對支護結構進行優化，為類似工程中支護結構設計優化提供參考。

1 項目概況

1.1 工程概況

該工程為南京某地下空間及其配套附屬設施，位于南京市秦淮區，擬建場地基本平坦，東西約 60 m、南北約 90 m。建筑總用地面積 7 478.57 m2，總建筑面積 47 846.54 m2，其中地上建筑面積 25 385.26 m2，地下建筑面積 22 461.28 m2。地下建筑 5 層，地上建筑 12層。基礎采用筏板基礎，埋深 ±0.00 以下 30.10 m（局部埋深 31.70 m），基礎筏板應力約為 350 kN/m2。設計室內 ±0.00 標高為 47.20 m，室內外高差為 0.30～0.60 m。施工場地地質條件如表 1 所示。

1.2 基坑支護方案

施工場地開挖深度 29.10 m，綜合考慮現場周邊環境、道路及水文地質條件，確保坑壁穩定、施工安全［3］，經過分析、比較，工程的支護方案劃分為 7 個剖面支護。具體基坑支護平面布置如圖 1 所示。

圖1 基坑支護平面布置圖

各剖面支護方案為：標高 43.50 m 以下用鋼筋混凝土灌注樁+錨桿支護，灌注樁樁長 33.80 m，樁底標高 8.90 m，嵌固深度 8.0 m，樁徑 1 200 mm，間距1 600 mm；灌注樁頂設一道鋼筋混凝土冠梁，冠梁截面尺寸 1 400 mm×900 mm，冠梁頂標高 43.50 m；樁頂冠梁以上采用 370 mm 厚磚砌擋土墻，墻內設構造柱，構造柱截面 370 mm×250 mm，墻頂設置壓頂梁，壓頂梁尺寸 370 mm×300 mm；自樁頂冠梁以下，共設置 6 道或 7 道預應力錨桿，第一道錨桿鎖在冠梁上，其余錨桿均鎖在鋼腰梁，如剖面 A-B 的錨桿設計參數如表 2 所示。

表1 各層土的物理力學性質指標統計表

表2 A-B 剖面錨桿設計參數表

2 FLAC3D數值模擬

2.1 模型建立

簡單快捷經濟的數值模擬常被應用于基坑開挖和支護工程［4］。本文運用 FLAC3D軟件進行數值模擬，選用 Morh-Coulomb 本構模型，依據地勘資料計算并確定土層參數，確定模型的邊界條件以及初始應力條件。為了除去邊界效應的影響，根據工程實際經驗［5］，工程模型計算范圍選取基坑底部以下 2 倍的開挖深度，影響的寬度取開挖深度的 2 到 3 倍。據此，模型在 X 方向取 80 m，在 Y 方向上取 1.6 m，Z 方向上取 50 m，共劃分16 000 個單元網格，分析模型和開挖土體示意圖如圖 2 所示，圖中開挖部分不同顏色從上到下為第 1 步開挖至第 7 步開挖。

圖2 分析模型和開挖土體示意圖

樁錨支護結構的模擬中錨索用 Cable 單元模擬，支護樁用 Pile 單元模擬。本模擬過程采用的七道錨桿加護坡樁支護，如圖 3 所示。因為早在基坑開挖之前就進行了有效的井點降水施工，所以此次數值模擬過程就沒有考慮地下水對模擬過程的影響。

2.2 最大不平衡力分析

基坑結構中最大不平衡力模擬結果如圖 4 所示。

圖3 支護結構示意圖

圖4 基坑結構最大不平衡力趨勢

從圖 4 中可以看到，基坑開挖施工中每一次開挖都會伴隨著最大不平衡力跳躍情況的發生，經過對深基坑進行樁錨支護之后，最大不平衡力又會逐步恢復到平衡的狀態。本工程中第六步開挖過程中的最大不平衡力達到最大值，這時基坑的狀態應該是處在一個相當不穩定的狀態下，通過仔細分析這個狀態下監測信息及資料，用得出的分析結果來指導施工過程，從而保證基坑的穩定性以及施工的安全性。

2.3 基坑壁水平位移分析

本工程分七步開挖，第一步和第七步的基坑壁水平位移云圖如圖 5 所示，七步開挖基坑壁水平位移變化曲線如圖 6 所示。

圖5 基坑第一和第七步開挖的水平位移云圖

圖6 七步開挖基坑壁水平位移變化曲線

由圖 5 和圖 6 可以看出，在樁錨支護結構的作用下，深基坑壁的水平位移沿深度的增大先是逐漸地變大，隨后又逐漸變小。將模擬數據與現場實際監測數據進行對比，第一步開挖在支護作用下基本沒有發生水平位移，第二步開挖基坑側壁的水平位移最大值是1.24 mm，監測數據為 1.33 mm；第三步開挖水平位移最大值是 2.00 mm，實際為 2.08 mm；第四步開挖水平位移最大值為 3.23 mm，實際為 3.18 mm；第五步開挖水平位移最大值是 9.00 mm，實際為 8.93 mm；第六步開挖水平位移最大值是 14.97 mm，實際為 15.06 mm；第七步開挖水平位移最大值是 32.55 mm，實際為 32.46 mm，模擬的數值與實際監測值接近，說明了模擬過程的正確性。

根據以上數值模擬結果可知，基坑壁的水平最大位移的位置，并不是在基坑的頂部，隨著基坑的開挖，位移的最大值的位置在不斷向基坑的中下部移動。最大位移的位置隨基坑深度加深而增大，所以在現場每一步開挖完成后需要及時進行錨桿施工，來控制位移的發生。

2.4 錨桿軸力分析

第二道和第七道錨索軸力變化模擬曲線如圖 7 所示。

從圖 7 可以看出，同一錨索的軸力的分布并不是很均勻，軸力最大值出現在自由段，但是隨著錨固段的延伸，桿軸力會逐漸地減小并且趨近于零，這與實際監測的軸力也接近。從該模擬結果可知，在預應力錨桿充分發揮承載能力的過程中，錨固段在比較淺層的土體中承載能力將會得到有效的發揮，而錨固段深層土體的承載能力的發揮將會隨著基坑深度的增大而逐步減小。

圖7 錨索軸力變化曲線

3 結論

本文通過 FLAC3D軟件對實際工程的深基坑樁錨支護進行數值模型分析，并與實際監測數據進行對比基本吻合，說明該軟件模擬的合理性。本文中通過模擬分析可知：基坑壁的水平最大位移的位置隨著基坑的開挖不斷的向基坑的中下部移動；同一錨索的軸力的分布并不是很均勻，軸力最大值出現在自由段。通過模擬分析結果可用于指導現場施工，為實際施工過程的優化設計及安全控制提供有效的實用價值。