復(fù)合土釘深基坑支護(hù)FLAC 3D變形分析

摘 要：FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，可以根據(jù)不同時(shí)空情況針對深基坑支護(hù)工程進(jìn)行模擬計(jì)算，分析基坑支護(hù)前后的受力及變形情況，簡單易行，有很強(qiáng)的工程指導(dǎo)性。文章針對某復(fù)合土釘深基坑工程實(shí)例，選用FLAC 3D模擬基坑的分步開挖和復(fù)合土釘支護(hù)，對基坑地表沉降、坑底垂直位移、側(cè)壁水平位移進(jìn)行分析，得到了關(guān)于分步開挖下基坑變形的幾點(diǎn)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：復(fù)合土釘；深基坑支護(hù)；基坑變形；FLAC 3D；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU476 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）35-0144-02

復(fù)合土釘作為基坑邊坡支護(hù)的一種施工工藝，施工工藝簡單，支護(hù)效果可靠，且不占據(jù)基坑作業(yè)空間，該項(xiàng)技術(shù)在多地基坑支護(hù)中得到廣泛應(yīng)用，被視為一種深基坑支護(hù)的常用施工方法。目前復(fù)合土釘墻施工工藝較為成熟，但是針對其支護(hù)原理、支護(hù)效果的理論研究相對落后，基坑分布開挖支護(hù)情況下土體受力特征、基坑變形規(guī)律及各影響因子相互關(guān)系亟需理論研究，基坑開挖支護(hù)模擬試驗(yàn)由于受到時(shí)空限制和加載條件，很難模擬基坑真實(shí)受力和變形情況，具有很大的局限性；而現(xiàn)場模擬試驗(yàn)由于場地和試驗(yàn)周期原因，一般也很少被采用；FLAC 3D數(shù)值模擬操作簡便，效果可靠，可以模擬不同的工況下基坑自身和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形規(guī)律，根據(jù)實(shí)際工程條件選用合理模型，根據(jù)地勘資料篩選合理工程參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得出具有工程指導(dǎo)意義的結(jié)論和建議。

本文針對某個(gè)復(fù)合土釘深基坑工程實(shí)例，選用FLAC 3D數(shù)值模擬的方法對分步開挖、支護(hù)下基坑水平、垂直位移進(jìn)行分析，得出基坑在分步開挖、支護(hù)情況下的位移發(fā)展趨勢，從而可以安全有效的指導(dǎo)基坑設(shè)計(jì)和施工，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的目的。

1 建立模型并分步開挖、支護(hù)

某基坑工程，按照基坑設(shè)計(jì)文件，開挖土石方工程量約計(jì)：75 m×60 m×10 m=45 000 m3，基坑施工工期50 d，采用復(fù)合土釘支護(hù)。采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行模擬計(jì)算，假設(shè)基坑變形為大變形?；幽Ｐ陀绊懛秶鸀椋核椒较?yàn)?倍基坑深度，高度方向?yàn)?倍開挖深度，基坑周圍近距離較為空曠，基坑受力及變形情況相對于基坑中心線呈對稱分布，由此可取1/4基坑開挖部分作為研究模型，為95 m×75 m×22 m，開挖區(qū)域進(jìn)行了加密劃分單元，地下止水帷幕范圍單獨(dú)劃分單元；采用樁結(jié)構(gòu)單元（pile單元）模擬微型鋼管樁；基坑周邊攪拌樁止水帷幕視為一定厚度、高強(qiáng)度、不透水的地下連續(xù)墻；采用襯砌結(jié)構(gòu)單元（liner單元）模擬鋼筋網(wǎng)；采用錨索結(jié)構(gòu)單元（Cable單元）模擬土釘。

所建模型的邊界條件定為：在對稱面上約束兩法向變形，底面及剩余兩側(cè)面設(shè)為固定端，模型上表面為自由端，假設(shè)基坑模型變形模式為大變形?；涌觾?nèi)、坑外水位人工降至基坑底板下一定深度處，且待土體固結(jié)沉降趨于穩(wěn)定后進(jìn)行基坑開挖和支護(hù)，故進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)可不考慮地下水作用。根據(jù)基坑6部開挖、支護(hù)方案，依次進(jìn)行模擬，第一部和第六部開挖深度為2.5 m，中間四部開挖深度為1.5 m，每部開挖之后均采用復(fù)合土釘進(jìn)行支護(hù)。在模型中選取若干特征點(diǎn)作為基坑變形趨勢觀測點(diǎn)?；幽Ｐ烷_挖、支護(hù)情況和特征點(diǎn)選取位置詳見圖1。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 復(fù)合土釘支護(hù)下地表沉降分析

經(jīng)過數(shù)值模擬得出基坑在分步開挖、支護(hù)情況下坑外地面沉降量值，其變形規(guī)律見圖2，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，坑外距離攪拌樁10.2 m處取得最大沉降值（23.927 mm），此值于第六步開挖后出現(xiàn)；分別在距攪拌樁0 m、2.5 m、6.5 m、12.5 m、20.5 m處埋設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)并實(shí)時(shí)觀測，地表沉降實(shí)際變形規(guī)律見圖3，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，坑外距離攪拌樁6.1m處取得最大沉降值（20.799 mm），此值于第六步開挖后出現(xiàn)。對比數(shù)值模擬結(jié)果和沉降觀測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)最大地表沉降模擬值和實(shí)際觀測數(shù)據(jù)相差約3.15 mm，可認(rèn)為模擬結(jié)果能被接受。

從模擬的結(jié)果中可以得出以下推論：

①隨著基坑不斷開挖加深，坑外地面沉降值也不斷增大，地表最大沉降點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離基坑向外發(fā)展。

②距離攪拌樁較近位置地面沉降較小，隨著距離增大，地面沉降逐漸加大，在某一點(diǎn)處取得最大值后又逐漸減小，其變形規(guī)律表現(xiàn)為一個(gè)“凹”形沉降槽；究其原因，攪拌樁周圍土體受到剛度較大的樁體支撐以及二者之間形成樁土摩擦效應(yīng)，從而導(dǎo)致莊周地面沉降較小。

③各開挖步驟所導(dǎo)致的地面沉降曲線形狀類似。其中地表最大沉降值出現(xiàn)在最后一步開挖之后。

④基坑開挖引起的地面沉降的影響范圍約為兩倍開挖深度，其中一倍開挖深度范圍內(nèi)的沉降量較大。

2.2 復(fù)合土釘支護(hù)下坑底垂直位移分析

坑底位移云圖如圖4所示。觀察分析圖4，作出以下總結(jié)：

①坑壁和坑底交界處基坑回彈值較小，距離坑壁越遠(yuǎn)，坑底回彈值越大。回彈增速剛開始較快，之后逐漸變慢，最后回彈量趨于平穩(wěn)。

②隨著基坑不斷開挖，坑底回彈量呈現(xiàn)不斷增大趨勢，開挖深度越大，回彈量越大，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

③各開挖步驟所導(dǎo)致的坑底回彈曲線形狀類似。兩倍開挖深度范圍內(nèi)變化速度最快，最大回彈值出現(xiàn)在坑底中部。

由于土體的自立性較差，基坑開挖前，土體在原始地應(yīng)力下穩(wěn)定，分步開挖后坑壁、坑體土體卸荷導(dǎo)致坑壁土體向臨空面移動(dòng)產(chǎn)生變形，從而致使坑底土體回彈隆起。在實(shí)際基坑開挖過程中，開挖過程中回彈明顯，且伴隨開挖回彈值急劇加快，當(dāng)開挖結(jié)束完成支護(hù)后，坑壁土體受到較大約束，回彈值明顯減小，基坑變形趨于穩(wěn)定。伴隨開挖深度不斷加大，坑底回彈值逐漸加大，其變化呈現(xiàn)為“S”形曲線，該曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)于開挖深度約7.0 m處，開挖深度小于7.0 m時(shí)坑底回彈曲線較緩和，超過7.0 m后，回彈隆起速率相應(yīng)加快。

2.3 復(fù)合土釘支護(hù)下基坑側(cè)壁水平位移分析

在基坑壁后土壓力作用下，坑壁產(chǎn)生水平位移。本基坑工程在坑壁樁頂埋設(shè)有水平位移觀測點(diǎn)，基坑分步開挖引發(fā)的的樁頂水平位移監(jiān)測值與數(shù)值模擬結(jié)果見圖5。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，二者區(qū)別不大。

觀察分析圖5、6可得，樁頂水平位移較小，符合規(guī)范要求。究其原因是土釘、樁體的水平錨固作用，從而致使土體抗剪強(qiáng)度增大，有效地限制了土體向臨空方向的變形。伴隨基坑不斷開挖，樁體上部逐漸向臨空面移動(dòng)，其水平位移隨著開挖深度增大而逐漸增加，在基坑穩(wěn)定范圍內(nèi)，增大速率比較穩(wěn)定，兩者基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)開挖深度繼續(xù)增加時(shí)，樁頂水平位移的變化速率有所增大。

基坑分步開挖下側(cè)壁水平位移的數(shù)值模擬結(jié)果參見圖6，最大側(cè)壁水平位移值為16.851 mm，于第六次開挖后在基坑深度6 m處取得。

分析圖6，可得出如下結(jié)論：

①伴隨基坑開挖，坑壁向基坑臨空面移動(dòng)，開挖深度越大，水平位移增加速率越快。

②采用復(fù)合土釘支護(hù)基坑，坑壁發(fā)生最大水平位移處位于坑體開挖深度的中部偏下位置，該位置隨著基坑不斷開挖逐漸向下部移動(dòng)。

③坑壁的水平位移曲線向臨空面凸起，在開挖深度方向上水平位移逐漸增大，增至最大值之后又逐漸減小。

2.4 復(fù)合土釘支護(hù)位移綜合分析

對復(fù)合土釘支護(hù)下的地表沉降結(jié)果、坑底垂直位移、基坑側(cè)壁水平位移結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

首先，基坑側(cè)壁位移導(dǎo)致壁后土體同時(shí)產(chǎn)生位移，位于坑壁外主動(dòng)土壓力區(qū)土體向基坑臨空方向產(chǎn)生變形，導(dǎo)致坑壁背后的土體水平應(yīng)力降低，土體剪切應(yīng)力逐漸增大，從而在土體中形成塑性區(qū)。

其次，坑底臨空面以下壁后被動(dòng)土壓力區(qū)的土體向坑內(nèi)臨空面產(chǎn)生水平位移，導(dǎo)致基坑底部土體水平應(yīng)力加大，從而使得坑底土體剪應(yīng)力增大發(fā)生水平向擠壓，同時(shí)由于土體的卸荷，從而引起坑底土體向上回彈隆起，在坑底處形成局部塑性區(qū)。

最后，隨著主動(dòng)土壓力區(qū)土體向坑內(nèi)發(fā)生位移，側(cè)壁外側(cè)土體的塑性區(qū)也在逐漸擴(kuò)大，從而引起側(cè)壁外側(cè)的地表沉降。

因此可以推斷側(cè)壁的變形是周圍地層移動(dòng)的重要原因，如何控制好側(cè)壁的位移是基坑工程設(shè)計(jì)與施工需要解決的重要問題之一。

參考文獻(xiàn)：

[1] YU Zhicheng， SHI Wenhua.Supporting designation and construction of deep foundation pit[M].Beijing： China architecture and industry press，2002.

[2] Jewell R.A.，Pedley M.J..Soil nailing design：the role of bending stiffness[J].Ground Engineering，1990，（10）.

[3] 王廣國，杜明芳，侯學(xué)淵.深基坑大變形分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（4）.

[4] 李志剛，秦世青，張炳峰.土釘支護(hù)的現(xiàn)場檢測及數(shù)值模擬方法[J].工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，12（1）.