基于FLAC3D的深基坑變形規(guī)律研究

楊 坦，蔣亞龍，金 鵬，陳雅君

(1. 安徽新華學(xué)院 建筑結(jié)構(gòu)安徽省普通高校重點實驗室，合肥 230088；2.安徽新華學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230088 3.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南232001)

隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑基坑開挖規(guī)模和深度不斷擴(kuò)大，其施工活動面臨復(fù)雜地質(zhì)條件、臨近建筑荷載以及受限場地空間等因素的影響，施工安全問題越來越突出，這一問題引起了工程建設(shè)者的廣泛關(guān)注。然而，基坑工程因其獨特的工藝和組織特點，難以直接開展開挖實驗?zāi)M。分析現(xiàn)有文獻(xiàn)，直接開展基坑開挖支護(hù)實驗研究的論文數(shù)僅68篇，與此同時通過采用各類數(shù)值模擬方法進(jìn)行深基坑開挖支護(hù)活動安全問題研究的論文數(shù)量達(dá)1800余篇，可見數(shù)值模擬研究已經(jīng)成為基坑安全問題研究的主流手段。唐咸遠(yuǎn)[1]采用ABSQUS有限元分析方法對鋼管樁、樹根樁兩種型樁復(fù)合土釘支護(hù)方案在深基坑支護(hù)的效果及基坑開挖變形情況進(jìn)行了模擬，得到了基坑變形的一般規(guī)律；張玉琦[2]采用LSDYNA動力有限元數(shù)值計算方法對武漢某高層建筑爆破活動對臨近建筑的影響進(jìn)行分析，得到了爆破振動作用下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性；陳小雨[3]以相鄰深基坑為工程背景，采用PLAXIS有限元分析軟件構(gòu)建了相鄰基坑數(shù)值計算模型，對基坑安全距離的各影響因素開展了規(guī)律研究；馬銀閣[4]采用MIDAS軟件分別構(gòu)建了深基坑和臨近管線數(shù)值模型，并分析了深基坑開挖活動對地下管線變形的影響規(guī)律，為深基坑開挖方案的必選提供了理論依據(jù)。學(xué)者們對基坑開挖支護(hù)數(shù)值模擬主要從支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、動荷載影響、臨近基坑相互作用以及基坑開挖對臨近建筑物和地下管線的危害等角度開展研究，但對深基坑開挖支護(hù)過程的基坑應(yīng)力應(yīng)變情況，并未做深入討論。由于深基坑開挖支護(hù)活動中基坑土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)是一個連續(xù)過程，對基坑施工活動安全的影響是一個持續(xù)過程，因此結(jié)合具體施工方案開展基坑開挖支護(hù)過程數(shù)值模擬研究很有必要。本文針對某深基坑開挖支護(hù)方案，采用FLAC3D有限元分析軟件進(jìn)行過程模擬，對指導(dǎo)深基坑開挖支護(hù)方案設(shè)計及具體施工過程具有較大的實用價值。

1 工程概況

工程位于合肥市的玉蘭大道與望江西路交口，交通十分方便。所建工程總層數(shù)為28層，包括地上26層和地下室2層。所建的建筑物高度90 m，長50 m，寬42 m，開挖-12 m。采用的結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土剪力墻框架，基坑鄰近的建筑物較多，且地下管線密集，重要等級為二級。

1.1 地質(zhì)條件

擬建工程區(qū)域?qū)儆谌A北地層區(qū)魯西地層分區(qū)的長豐小區(qū)(中新生代沉積區(qū))為巨厚的中、新生代陸源碎屑巖堆積區(qū)，地表為第四紀(jì)棕黃、褐黃色黏土、亞黏土所覆蓋。區(qū)域地層基本特征表明，區(qū)域巖漿活動不強(qiáng)烈，僅晚白堊紀(jì)晚期表現(xiàn)為基性巖漿的火山噴溢活動形成火山巖，并伴隨大量脈巖生成。區(qū)域處于新華夏系第二隆起帶和秦嶺緯向結(jié)構(gòu)帶、淮陽山字形前弧東翼的復(fù)合部位。主要斷裂構(gòu)造為蜀山斷裂，產(chǎn)狀分布為東西走向，經(jīng)合肥市區(qū)南側(cè)、合肥-店埠公路背側(cè)，向東延伸長度47km。斷裂晚侏羅世周公山組，北側(cè)為晚北堊世張橋組，大蜀山、小蜀山火山口受其控制，斷裂切割較深。

1.1.2區(qū)域氣象概況

擬建工程區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，氣候相對溫和，氣溫最高的溫度是41 ℃(2015)，最低-10.6℃(2008)，全年平均氣溫是15.7 度，平均降雨量900～1000 mm，夏季降水較集中，3～4月霪雨季節(jié)，晴天較少。

1.1.3水文條件概況

綜合合肥市地下水的賦存條件、水力性質(zhì)及地層巖性組合特征，將本區(qū)的地下水劃分為三種基本類型，松散巖類孔隙含水巖組、碎屑巖類裂隙孔隙含水巖組、巖漿巖裂隙含水巖組。其中工程擬建區(qū)域主要為巖漿巖裂隙含水巖組，水資源量極貧乏。地下水補給主要依靠大氣降水，受地下水位埋深(>10 m)影響，地下水補給困難，通常依靠地下徑流和水庫進(jìn)行補給，夏季多雨期河流的補水作用也有所提高。

1.1.4巖土體工程地質(zhì)特征

根據(jù)區(qū)內(nèi)地層成因類型、巖性結(jié)構(gòu)和巖土體工程地質(zhì)特征等，將調(diào)查區(qū)分為巖體和土體兩類，巖體主要以堅硬塊狀火山噴發(fā)巖巖組為主，由輝綠玢巖、玄武巖、安山巖組成，巖石呈塊狀結(jié)構(gòu)，密度、強(qiáng)度及彈性較高，孔隙率低，地基承載力良好。土體主要由上更新統(tǒng)下蜀組(Q3X)的粘土、粉質(zhì)粘土組成，又稱老粘土，厚度一般在5～10 m，多由兩層以上的粘土、粉質(zhì)粘土、砂土及粉土組成。分布區(qū)域很廣，地貌形態(tài)呈現(xiàn)為波狀平原、平原。土體多呈堅硬-硬塑狀，地基承載力特征值250～400kPa，工程地質(zhì)性質(zhì)良好，各層巖土體工程力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各層巖土體物理學(xué)參數(shù)

1.2 施工方案設(shè)計

擬建工程基坑長50 m，寬42 m，高12 m，采用直壁開挖加支護(hù)的方式進(jìn)行施工，施工過程中依據(jù)分層、分段、適時的原則，對開挖方案進(jìn)行了分層開挖設(shè)計，共分為三層，分層厚度分別為3 m、

也曾記得，1998年法國世界杯，我半宿爬起來看球賽，第二天累得頭暈眼花。岳父說，看那個（球賽）有什么意思??？能頂吃啊，還是能頂喝啊。我笑笑，覺得岳父不懂年輕人的心思?，F(xiàn)在，自己也活到了務(wù)實的年齡，為了一場球賽，不敢也不愿那么拼了。

4 m和5 m。具體開挖方案見表2。

表2 某擬建工程深基坑工程施工工藝方案表

1.3 支護(hù)方案設(shè)計

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)先加入沉箱壁然后采用“排樁和錨桿”模式，排樁和錨桿支護(hù)如圖1所示。由于基坑周邊地勢起伏不大，支護(hù)樁采用統(tǒng)一參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，即樁長24 m，南北向樁間距2 m，樁數(shù)10根，東西向樁間距1 m，樁數(shù)12根。錨桿設(shè)計采用三種不同規(guī)格，主要參數(shù)如表3所示。樁間支護(hù)面層為鋼筋網(wǎng)混凝土，強(qiáng)度為C20，厚度50～80 mm，鋼筋網(wǎng)片網(wǎng)格尺寸為6.5@200×200雙向，面層采用噴射細(xì)石混凝土。

圖1 基坑支護(hù)系統(tǒng)示意圖

表3 錨桿的參數(shù)

2 基坑開挖支護(hù)過程數(shù)值模擬

2.1 FLAC3D有限元分析軟件在基坑工程開挖支護(hù)模擬中的應(yīng)用

采用FLAC3D對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計算，并且按照工程施工的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)施工現(xiàn)場地質(zhì)狀況和周邊環(huán)境影響進(jìn)行設(shè)計參數(shù)確定，結(jié)合相關(guān)基坑支護(hù)方案設(shè)計施工經(jīng)驗初步確定本方案。采用全局建模，整體先加入沉箱壁然后施加排樁和錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)。對模擬計算結(jié)果的基坑支護(hù)前、后各方向位移的變化進(jìn)行詳細(xì)的分析，以此來判定支護(hù)方案的穩(wěn)定性。

2.2 計算模型及參數(shù)

由于基坑土層各向差異不大，且基坑開挖活動中，長度方向所受到的影響約為基坑深度的3～4倍，寬度方向所受影響約為基坑開挖深度的2～4倍[4]，結(jié)合數(shù)值模擬的實際需求，在建立分析模型時，只截取尺寸為50 m×42 m×28.5 m(長×寬×深)的區(qū)域建立初始模型，其形狀和尺寸如圖2所示。土體模擬選擇摩爾庫倫模型，沉箱采用Beam單元[5]進(jìn)行模擬，排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)等效為厚度為1 m的連續(xù)擋墻，錨桿選擇Rock Bolt[6]單元模擬，同時在模型中沉箱與排樁及錨桿支護(hù)體的連接采用剛性節(jié)點方式進(jìn)行連接，即假設(shè)節(jié)點處各向自由度為0[7]，不同類型結(jié)構(gòu)單元可以實現(xiàn)各向自由度上的應(yīng)力傳遞。

根據(jù)各層巖土體物理學(xué)參數(shù)得出基坑初始應(yīng)力云及基坑最大不平衡力曲線如圖3所示。

圖2基坑數(shù)值模型

2.3 模擬數(shù)據(jù)分析

基坑開挖支護(hù)數(shù)值分析過程依據(jù)1.2節(jié)制定的開挖支護(hù)方案進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖4～8所示。

圖3 基坑初始應(yīng)力云圖及最大不平衡力曲線圖

圖4 第一次開挖支護(hù)前、后z方向位移變化圖

圖5 第二次開挖支護(hù)前、后z方向位移變化圖

圖6 第三次開挖支護(hù)前、后z方向位移變化

圖7 第三次開挖支護(hù)前、后x方向位移變化圖

3 模擬結(jié)果分析

由圖3可知基坑初始模型應(yīng)力情況符合模擬要求，最大不平衡力經(jīng)急速下降過程后呈緩慢下降直至平衡狀態(tài)，說明依據(jù)工程特點所建立的基坑初始模型合理。

根據(jù)塑性圈理論基坑開挖后，土體應(yīng)力重分布，導(dǎo)致塑性圈外側(cè)彈性區(qū)土體產(chǎn)生較大的位移，體現(xiàn)在基坑周邊土體沉降和坑底土體隆起現(xiàn)象，故在基坑開挖前后重點對z方向位移進(jìn)行分析。

從第一次開挖支護(hù)前、后z方向位移變化如圖4所示，可以得到支護(hù)前z方向出現(xiàn)的位移量為5.89 mm，支護(hù)后z方向出現(xiàn)的位移量為6.03 mm。這種現(xiàn)象很正常，是由于加支護(hù)后土體底部發(fā)生隆起現(xiàn)象。從第二次開挖支護(hù)前、后z方向位移變化圖如圖5，支護(hù)前z方向出現(xiàn)位移量11.54 mm，支護(hù)后z方向出現(xiàn)位移量11.13 mm?？梢钥闯龌勇∑鸬奈灰屏吭黾?。從第三次開挖支護(hù)前、后z方向位移變化圖如圖6，支護(hù)前z方向出現(xiàn)位移量12.23 mm，支護(hù)后z方向出現(xiàn)位移量12.15 mm?？梢钥闯龌勇∑鸬奈灰屏繙p小。根據(jù)基坑支護(hù)位移規(guī)范，一般的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移量以不大于20 mm為標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥闯鋈位勇∑鹪黾拥奈灰屏慷荚跇?biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)。

由于第一次開挖和第二次開挖的深度較小，土體自重荷載影響較小，引起x方向和y方向土體發(fā)生位移的變形量不大，所以只需對第三次開挖支護(hù)x方向和y方向的位移的變化量進(jìn)行分析。從第三次開挖支護(hù)前、后x方向位移變化圖如圖7，支護(hù)前x方向出現(xiàn)的位移量為12.46 mm，支護(hù)后x方向出現(xiàn)的位移量為12.13 mm。從第三次開挖支護(hù)前、后y方向位移變化圖如圖8 ，支護(hù)前y方向出現(xiàn)的位移量為12.45 mm，支護(hù)后y方向出現(xiàn)的位移量為12.11 mm。可以看出第三次x方向和y方向的變形量不大，進(jìn)一步說明基坑支護(hù)的穩(wěn)定，但仍需預(yù)防側(cè)向變形引起的地表沉降等問題。

4 結(jié)論

(1)深基坑施工采用分層開挖方案，分三層開挖，分別開挖至-3 m、-7 m和-12 m，支護(hù)采用排樁結(jié)合錨桿支護(hù)體系，每層開挖后隨即完成支護(hù)工作，基坑開挖支護(hù)方案合理。

(2)基坑開挖支護(hù)至-3 m時，支護(hù)前后Z向變形分別為5.89 mm和6.03 mm，這一現(xiàn)象表明基坑底部隆起現(xiàn)象明顯；開挖支護(hù)至-7 m時，支護(hù)前后Z向變形分別為11.54 mm和11.13 mm，坑底隆起速率得到控制；開挖支護(hù)至-12 m時，支護(hù)前后Z向變形分別為12.23 mm和12.15 mm，坑底隆起速率繼續(xù)下降，變形量符合標(biāo)準(zhǔn)。

(3)基坑開挖深度較小時，土體側(cè)向變形較小，可以忽略?；娱_挖至-12 m時，土體側(cè)向變形量有所增加，支護(hù)前后X向變形分別為12.46 mm和12.13 mm，Y向變形分別為12.45 mm和12.11 mm，說明深基坑側(cè)向變形量雖符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但仍需預(yù)防側(cè)向變形引起的地表沉降等問題。