基于FLAC3D的鋼支撐架設滯后數值模擬研究

吳仲瑞，宋智勇，陸何，周貴貴

（1.中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100；2.合肥工大共達工程檢測試驗有限公司，安徽 合肥 230009；3.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

近些年來，為解決城市土地資源緊張和交通擁擠問題，城市地下空間得以大規模開發，而基坑工程作為地下空間開發必不可少的一環，其安全問題也越來越受到人們的重視。在實際施工過程中，鋼支撐架設滯后這種不規范的操作將給基坑施工帶來安全隱患。湯瑞[1]利用有限元軟件MIDAS對基坑施工過程進行仿真模擬，以超挖厚度表征錨索安裝不及時程度，研究了錨索滯后安裝對圍護結構內力、變形以及地表沉降的影響規律。胡之鋒[2]采用有限元軟件PLAXIS，建立有限元分析模型，以超挖厚度大小表征鋼支撐滯后架設的程度，研究了不同位置鋼支撐出現不同程度滯后架設對基坑圍護結構內力變形及基坑周圍地表沉降影響。代祥[3]以武漢地鐵2號線機場線盤龍城車站出入口基坑為例，采用有限元軟件PLAXIS 2D建立有限元模型，模擬分析基坑開挖過程有無架設鋼支撐，對圍護樁內力變化規律。

本文以合肥市軌道交通5號線黃河路車站基坑為例，采用有限差分軟件FLAC3D對其進行三維建模，以超挖厚度的不同表征鋼支撐架設滯后程度的不同，模擬計算基坑開挖過程中鋼支撐架設滯后的不利工況，分析鋼支撐架設滯后程度不同對基坑圍護結構變形及地表沉降的影響大小。

1 工程概況

黃河路車站主體結構總長158m，標準段結構寬度21.9m，標準段基坑深度為23.11～23.50m，南側端頭井段基坑深度為24.87m，北側端頭井段基坑深度為25.44m。圍護結構選用Φ1000@1300鉆孔灌注樁排樁，標準段支撐體系為一道鋼筋混凝土支撐和三道鋼支撐，南北兩側端頭井段為一道鋼筋混凝土支撐和四道鋼支撐。

根據黃河路站巖土工程勘察報告，車站土體參數如表1所示。

地下水主要有上層滯水以及基巖孔隙、裂隙水。淺部地下水主要賦存于素填土中，以上層滯水為主，水量微弱。勘探期間測得水位埋深為0.20～3.80m。基巖裂隙水主要賦存于巖石強、中風化帶中，本車站基巖孔隙水埋藏較深，層頂埋深48.20～49.00m。地下水徑流形式主要為孔隙間滲流。黏土和全風化巖富水性及透水性較差，連通性差，因此地下水徑流一般。

2 基坑模型建立與工況設置

2.1 模型建立

以黃河路地鐵車站基坑為工程背景，通過有限差分軟件FLAC3D建立數值分析模型。根據基坑幾何尺寸，擬定模型尺寸為280.2m×148.6m×73m(X×Y×Z)。模型共劃分為514580個單元、546256個節點，模型網格劃分如圖1所示。

圖1 模型網格示意圖

土體本構采用莫爾-庫倫模型，土體介質均假設為非線性、彈塑性介質材料[4-5]，模型中土體參數見表1。模型中排樁深度為37m，冠梁寬為1.5m，高1m。冠梁和排樁都采用實體單元，選取各向同性彈性模型，支撐體系采用beam結構單元[6]。模型材料參數如表2所示。

根據基坑整體變形受力特點，確定模型邊界條件為：在模型的底面（Z=-36m)處施加豎向約束，在模型的四個側面（X=-60.8m，X=219.4m，Y=-60.8m，Y=87.8m）處施加水平約束，模型的頂面（Z=37m）為自由面，不施加任何約束。

土體參數 表1

模型材料參數 表2

鋼支撐滯后架設工況設置 表3

2.2 工況設置

第一道支撐為鋼筋混凝土支撐，第二、三、四道支撐均為鋼支撐，為便于研究各道鋼支撐架設滯后的影響幅度，因此以土體超挖厚度大小表征鋼支撐滯后架設程度(超挖厚度越大，鋼支撐滯后架設程度越大)，工況設置如表3所示。

3 計算結果分析

利用FLAC3D分別模擬計算三道鋼支撐在不同滯后程度 (超挖1m、2m、3m、4m)下，基坑圍護結構變形和基坑外土體地表沉降的變化情況。

3.1 樁體側向位移

由于工況1模擬的是正常按設計架撐，故將工況2、工況3、工況4的數值模擬結果與工況1進行對比分析，工況2、工況3、工況4的樁體側向位移沿深度方向的分布如圖2所示，圖中超挖0m均是工況1計算得到的樁體側向位移。

在工況1下，所有支撐均按設計架設，此時樁體最大側向位移為23.4mm。在工況2下，第二道支撐架設滯后，當超挖厚度為1m時，樁體最大側向位移為26.2mm，當超挖厚度達到4m時，樁體最大側向位移增至35.4mm。樁體側向位移隨超挖厚度的增加而增大，在樁體深度方向中部增長得較多，在兩端增長較小。

由圖2可以看出，在工況3和工況4下，第三、四道支撐架設滯后時，樁體側向位移變化規律與工況2類似，但隨超挖厚度的改變，樁體最大側向位移有所不同。在工況3下，第三道支撐架設滯后，當超挖厚度為1m時，樁體最大側向位移為26.7mm，當超挖厚度達到4m時，樁體最大側向位移增至36.4mm。在工況4下，第四道支撐架設滯后，當超挖厚度為1m時，樁體最大側向位移為25.6mm，當超挖厚度達到4m時，樁體最大側向位移增至34.7mm。

以超挖厚度為x軸，以樁體最大側向位移為y軸，數據分布接近于直線，采用一次多項式y=ax+b來擬合超挖厚度與樁體最大側向位移的關系，擬合的結果如圖3所示。

由圖3可以看出，在超挖厚度為0～4m的范圍內，各工況下超挖厚度與樁體最大側向位移均有著良好的線性關系。在工況2下，利用最小二乘法得到的超挖厚度與樁體最大側向位移的線性回歸線為y=2.97x+23.28，由此可得出，在第二道支撐滯后時，超挖厚度達到2.26m時，樁體最大側向位移剛好達到控制值30mm。在工況3下，利用最小二乘法得到的超挖厚度與樁體最大側向位移的線性回歸線為y=3.22x+23.46，由此可得出，在第三道支撐滯后時，超挖厚度達到2.03m時，樁體最大側向位移剛好達到控制值30mm。在工況4下，利用最小二乘法得到的超挖厚度與樁體最大側向位移的線性回歸線為y=2.82x+22.96，由此可得出，在第四道支撐滯后時，超挖厚度達到2.50m時，樁體最大側向位移剛好達到控制值30mm。

圖2 樁體側向位移

圖3 超挖厚度與樁體最大側向位移的關系

圖4 地表沉降

圖5 超挖厚度與地表沉降最大值的關系

3.2 地表沉降

將工況2、工況3、工況4的數值模擬結果與工況1進行對比分析，工況2、工況3、工況4的地表沉降的分布如圖4所示，圖中超挖0m均是工況1計算得到的地表沉降。

由圖4可以看出，三種工況下基坑外土體地表沉降呈現一致的變化規律：地表沉降曲線都呈現為先增大后減小的“勺型”分布；各個工況下在距坑邊5m以外的地表沉降量都是隨超挖厚度的增加而增大的，而在距坑邊5m以內的土體由于靠近圍護結構，地表沉降量隨超挖厚度的增加變化很小。

各工況隨超挖厚度的改變，地表沉降最大值是不同的。與研究樁體最大側向位移類似，以超挖厚度為x軸，以地表沉降最大值為y軸，采用一次多項式y=ax+b來擬合超挖厚度與地表沉降最大值的關系，擬合的結果如圖5所示。

由圖5可以看出，在超挖厚度為0～4m的范圍內，三種工況下超挖厚度與地表沉降最大值均有著良好的線性關系。在工況2下，利用最小二乘法得到的超挖厚度與地表沉降最大值的線性回歸線為y=0.444x+4.144。在工況3下，利用最小二乘法得到的超挖厚度與地表沉降最大值的線性回歸線為y=0.469x+4.168。在工況4下，利用最小二乘法得到的超挖厚度與地表沉降最大值的線性回歸線為y=0.401x+4.072。在三種工況下，地表沉降最大值都遠遠小于控制值30mm。

4 總結

以黃河路地鐵車站基坑工程為研究對象，基于FLAC3D軟件，以超挖厚度表征鋼支撐架設滯后程度，分析鋼支撐滯后架設對圍護結構側向變形和地表沉降的影響程度，得出以下結論：

①三種工況下樁體側向位移隨超挖厚度的增加而增大，在沿樁體深度方向中部增長得較多，在兩端增長較小；

②在超挖厚度為0～4m的范圍內，三種工況下超挖厚度與樁體最大側向位移均有著良好的線性關系；樁體最大側向位移達到控制值30mm時，第二、三、四道支撐超挖厚度分別不得超過2.26m、2.03m、2.50m；

③三種工況下基坑外土體地表沉降均呈現為先增大后減小的“勺型”分布，在距坑邊5m以外的地表沉降量都是隨超挖厚度的增加而增大的，而在距坑邊5m以內的土體由于靠近圍護結構，地表沉降量隨超挖厚度的增加變化很小；

④在超挖厚度為0～4m的范圍內，三種工況下超挖厚度與地表沉降最大值均有著良好的線性關系，在三種工況下，地表沉降最大值都遠小于控制值30mm。