基于FLAC3D的深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

閆綱麗，王 斌

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475000)

基于FLAC3D的深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

閆綱麗，王 斌

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475000)

運用FLAC3D和理正數(shù)值模擬軟件對實際深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析與計算.主要分析了開挖過程中支護(hù)樁樁頂位移、深層水平位移及支護(hù)樁內(nèi)力的變化，并將現(xiàn)場實測值與模擬軟件的計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析.結(jié)果表明，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬結(jié)果更符合實測值，可為基坑工程的設(shè)計和施工提供參考.

FLAC3D;深基坑;樁錨支護(hù);數(shù)值計算

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)以其工程適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢在深基坑工程中得到廣泛應(yīng)用［1－3］，但受現(xiàn)有計算理論限制及基坑工程復(fù)雜性等因素影響，由設(shè)計或施工原因引發(fā)的工程事故在基坑事故中占有相當(dāng)大的比例［4－5］.在研究深基坑支護(hù)體系受力和變形的方法中，數(shù)值模擬應(yīng)用廣泛，但一般數(shù)值模擬都從實用角度出發(fā)，以二維來處理.筆者采用FLAC3D［6］，根據(jù)實際開挖施工順序，用三維模擬來反映樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形，并將模擬結(jié)果與二維理正計算結(jié)果(彈性法和經(jīng)典法)及實測值進(jìn)行對比分析，從而驗證三維模擬結(jié)果的有效性.

圖1 基坑平面圖(單位:mm)

1 工程概況

河南省某工程總建筑面積為59 969 m2，地下3層，地上35層，總高度為186 m.基坑深度約16 m，基坑尺寸約93 m×40 m，地下水位在地面以下21.8～24.0 m.基坑?xùn)|側(cè)較復(fù)雜且基坑較深，因此選擇基坑?xùn)|側(cè)作為研究對象，其平面位置(圖中黑色方塊標(biāo)識)如圖1所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示.基坑支護(hù)錨索參數(shù)見表1，支護(hù)樁為鋼筋混凝土灌注樁，直徑 800 mm，樁長 23.1 m，間距 1.5 m，C30混凝土.

圖2 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(單位:mm)

表1 錨索及護(hù)坡樁參數(shù)取值

土體原有11層，根據(jù)巖土工程勘察報告，考慮到有些土層很薄，有些土層性質(zhì)相近，將模型簡化為6層，土體參數(shù)取加權(quán)平均值，有些參數(shù)通常按經(jīng)驗取值(工程勘察報告一般提供壓縮模量，而在FLAC3D中體積模量和剪切模量的換算依據(jù)的是變形模量，所以需根據(jù)適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗系數(shù)進(jìn)行兩者之間的換算)，土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2.

表2 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 模型建立

數(shù)值模擬中土體采用 Mohr-Coulombr模型［7］，預(yù)應(yīng)力錨桿采用FLAC3D中內(nèi)置的錨索結(jié)構(gòu)單元，樁采用內(nèi)置的樁結(jié)構(gòu)單元.根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)實際作用機(jī)理，考慮到邊界效應(yīng)會影響計算結(jié)果，因此，根據(jù)深基坑的實際特征、現(xiàn)場勘察的地質(zhì)條件和支護(hù)結(jié)構(gòu)實際情況，建立計算模型.模型為南北長52 m(Y軸)，東西寬3 m(X軸)，深度為35 m(Z軸)的六面體.實際開挖支護(hù)后的模型如圖3所示.

圖3 結(jié)構(gòu)單元模型

建立三維基坑模型基于如下簡化和假定.①充分考慮土層的非均質(zhì)性.各土層的壓縮模量、泊松比、天然容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)采用勘察報告中提交并在實際支護(hù)設(shè)計中使用的參數(shù).②對于靜態(tài)問題，F(xiàn)LAC3D提供速度邊界條件，把模型邊界面上的速度設(shè)置為零，該面就不會隨著計算時步而發(fā)生位移.筆者在分析靜態(tài)問題時設(shè)置了相同的邊界條件.③在模型的最底部限制3個方向的位移，左右兩側(cè)邊界面限制Y方向的位移，前后兩側(cè)邊界面限制X方向的位移，以此來模擬周邊土(巖)體對模型的作用，實現(xiàn)其半無限體效果.

2.2 模擬步驟

整個數(shù)值模擬過程按照實際的施工工序進(jìn)行，具體步驟如下.

1)對基坑開挖前的土體進(jìn)行重力作用下的平衡計算，獲得土體的初始應(yīng)力狀態(tài).

2)根據(jù)模擬對象具體形態(tài)特征，首先在深1 m范圍按1∶0.3的比例放坡，然后打入混凝土攪拌樁，接著依次進(jìn)行第1步到第5步的開挖.

3)根據(jù)施工的實際情況，對基坑施工過程進(jìn)行全真模擬.具體工序為工況1:開挖至－3.3 m處，在－3.0 m處打入第1道錨桿;工況2:開挖至－7.3 m處，在－7.0 m處打入第2道錨桿;工況3:開挖至－10.3 m處，在 －10.0 m 處打入第 3道錨桿;工況4:開挖至－13.3 m處，在－13.0 m處打入第4道錨桿;工況5:開挖至－16.1 m處.

4)顯示計算結(jié)果，對計算結(jié)果進(jìn)行分析并與實測結(jié)果作對比.

2.3 深基坑分步開挖支護(hù)過程模擬

此次模擬的重點是基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力.

2.3.1 支護(hù)樁頂水平位移

支護(hù)樁頂水平位移隨不同工況開挖深度的變化曲線如圖4所示.

圖4 樁頂水平位移隨開挖深度變化曲線

由圖4可以看出，F(xiàn)LAC3D模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)比較接近，略大于實測數(shù)據(jù);二者表明隨著基坑開挖深度的增加，樁頂水平位移呈增大的趨勢;理正軟件計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)相差較大.

2.3.2 支護(hù)樁深層水平位移

支護(hù)樁深層水平位移在不同工況下的數(shù)值計算結(jié)果如圖5—9所示.

通過分析支護(hù)樁的位移結(jié)果(圖4—9)，可得出如下結(jié)論.

1)5種工況的FLAC3D計算位移值與實測值比較接近，略大于實測值，兩者分布形態(tài)比較吻合.而理正法計算值與實測值相比，其形態(tài)比較接近，但數(shù)值相差較大，這是因為FLAC3D數(shù)值模擬考慮了三維的效果，更接近于實際情況，而理正計算考慮的是二維效果.

2)在土方開挖初期，支護(hù)樁水平位移最大點都在樁頂，最小點在樁底，樁身沿深度方向基本呈線性變化;當(dāng)基坑淺部、中部開挖后，及時打錨桿并有效鎖定，控制支護(hù)樁的側(cè)移，其樁身側(cè)向位移在底部小，中上部大，說明錨桿對支護(hù)樁的側(cè)向位移起到了減小的作用.

3)在基坑開挖初期，支護(hù)樁最大側(cè)向位移在基坑開挖面附近，隨著開挖的不斷繼續(xù)，位移最大值逐漸下移，三者位移變化趨勢基本一致，說明FLAC3D三維模擬合理、可行.隨著基坑開挖的繼續(xù)，支護(hù)樁的側(cè)向位移逐漸增加.

4)從支護(hù)樁側(cè)向位移來看，從基坑開挖到結(jié)束，深基坑中上部的水平位移最大，隨基坑上下側(cè)逐漸減小，到基坑角部，位移值達(dá)到最小.

2.3.3 支護(hù)樁內(nèi)力

基坑開挖完畢后，根據(jù)埋設(shè)的鋼筋應(yīng)力計現(xiàn)場測得的鋼筋應(yīng)力計算得到的樁身彎矩曲線與理正彈性法、理正經(jīng)典法、FLAC3D數(shù)值計算得到的彎矩進(jìn)行對比，結(jié)果如圖10所示.

圖10 計算彎矩與實測彎矩對比

由圖10可以看出，4種方法計算出來的樁身彎矩曲線趨于一致，整體上樁身彎矩都呈“S”狀.但從彎矩值來看，F(xiàn)LAC3D數(shù)值法的計算值和理正彈性法、理正經(jīng)典法的計算值都比實測值大，但FLAC3D數(shù)值法計算的結(jié)果與實測結(jié)果相差較小，吻合較好，理正彈性法、經(jīng)典法計算的結(jié)果與實測彎矩相差較大，且在樁身下半段表現(xiàn)得更為明顯.

3 結(jié)語

通過對實際深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論.

1)FLAC3D與現(xiàn)場實測和理正計算結(jié)果對比分析表明:數(shù)值模擬用于計算樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身位移、樁身彎矩，其結(jié)果與實測值基本吻合，比理正法更接近實測結(jié)果.

2)對深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的分析計算，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法切實可行.

3)從施工的角度出發(fā)，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬可以對深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行模擬，在施工前預(yù)測其變化，提前掌握工程中的薄弱環(huán)節(jié)，從而做到重點監(jiān)控，及時采取相應(yīng)的對策.

［1］曹劍波.深基坑樁錨支護(hù)及工程應(yīng)用研究［D］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)，2010.

［2］曾友誼.深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2007.

［3］呂三和，張敬志，趙民.深基坑樁錨支護(hù)體系變形實例分析［J］.探礦工程－巖土鉆掘工程，2003(6):5－7.

［4］張海濤.深基坑支護(hù)設(shè)計與施工方案優(yōu)化研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2004.

［5］李涯，申孝忠.深基坑開挖與支護(hù)過程中的若干問題［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2005，26(3):57 －58.

［6］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［7］陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1997.

Analysis of Pile-anchor Supporting Structure of Deep Foundation Pit Based on FLAC3D

YAN Gang-li，WANG Bin
(Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475000，China)

Two simulation softwares of FLAC3D and LIZHENG are applied to calculate and analyze the actual pile-anchor supporting structure of the deep foundation pit.This research mainly focus on the pile top displacement of supporting piles，the deep horizontal displacement and internal forces in the excavation process.Furthermore，field-measured values and the calculation results by simulation softwares are compared and analyzed.The results prove that the FLAC3D simulation value is more in line with the site measuring.This can provide a reference for the design and construction of the foundation pit project.

FLAC3D;deep foundation pit;pile-anchor supporting;numerical calculation

1002－5634(2012)03－0082－04

2012－04－11

閆綱麗(1980—)，女，河北張家口人，助教，碩士，主要從事土木工程結(jié)構(gòu)及巖土工程方面的研究.

(責(zé)任編輯:喬翠平)