基坑工程直立開挖支護(hù)的FLAC3D數(shù)值模擬分析

許世雄

(中國建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所，北京 100013)

0 引言

基坑放坡開挖的形式是最早的一種基坑開挖方式［1］，該方法要求周邊存在比較空曠的施工場(chǎng)地，并且該方法土方量一般會(huì)非常大，同時(shí)要選擇合理的開挖坡度，以保證開挖坡體的穩(wěn)定性。而當(dāng)擬建建筑處于建筑物較密集，或周邊環(huán)境［2，3］條件比較嚴(yán)苛，或?qū)ξ灰埔蟊容^高的時(shí)候，就要采用位移控制滿足要求的直立開挖支護(hù)方式［2-4］。

本文將模擬均質(zhì)土基坑直立開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行模擬分析，獲得在以變形控制為主的支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選時(shí)提供一些參考建議。

1 數(shù)值模擬分析

1．1 建?；炯俣?/h3>

1)土體假定為均勻、各向同性的彈塑性體，土釘考慮成彈性結(jié)構(gòu)體;

2)不考慮坡頂超載作用對(duì)坡體穩(wěn)定及位移變形發(fā)展的影響作用;

3)不考慮地下水及孔隙水壓力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，不考慮滲流影響［5］。

1．2 分析目的

本文基于均質(zhì)土基坑開挖分別建立開挖不支護(hù)坡體、純土釘支護(hù)坡體、攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)坡體3種工況下的開挖模型進(jìn)行運(yùn)算分析。首先，對(duì)無支護(hù)條件下的均質(zhì)土基坑的開挖過程進(jìn)行模擬，分析其破壞狀態(tài);再次，在模型中設(shè)置土釘結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)并開挖，對(duì)純土釘結(jié)構(gòu)支護(hù)后的基坑邊坡的變形進(jìn)行了模擬分析;最后，對(duì)水泥土攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)體系對(duì)基坑開挖的支護(hù)效果進(jìn)行了模擬，對(duì)基坑位移變形特性進(jìn)行分析，總結(jié)出一些具有參考價(jià)值的結(jié)論。

1．3 土體本構(gòu)模型

因FLAC3D程序中的Mohr-Coulomb模型在巖土工程仿真模擬研究中得到極其廣泛的應(yīng)用［6］。本文選用Mohr-Coulomb彈塑性模型作為土體本構(gòu)模型。

1．4 結(jié)構(gòu)單元

在數(shù)值模擬的過程中，土釘結(jié)構(gòu)采用錨索單元［6，7］。因水泥土攪拌樁(墻)與土體一樣采用實(shí)體單元來對(duì)其材料賦值進(jìn)行模擬［8］。

1．5 邊界條件

因?qū)嶋H工程中的開挖過程對(duì)模型邊界的應(yīng)力及應(yīng)變影響較小，故對(duì)模型的前面、后面和底面三面都施加固定約束，兩個(gè)側(cè)面僅對(duì)Y方向固定。這樣，模型將近似服從靜止土壓力分布形式［7，8］。

1．6 建模過程

1)參數(shù)情況。

土體:粘聚力c=18 kPa，內(nèi)摩擦角φ=22°，重度G=18 kN/m3，泊松比 ν=0．3，彈性模量取E50=16 MPa。

攪拌樁:粘聚力 c=400 kPa，內(nèi)摩擦角 φ=35°，重度 G=21 kN/m3，泊松比 ν=0．25，彈性模量 E50=600 MPa。

土釘:直徑 Φ =28 mm，橫截面面積為 xcarea=8．5e－3，釘體彈性模量為emod=200e9Pa，漿體與土體的粘結(jié)強(qiáng)度為100e3N/m，漿體剪切剛度為200 kPa，鉆孔周長為0．314 m，漿體內(nèi)摩擦角為25°。

2)建模過程。

因基坑坡體最危險(xiǎn)的部位位于基坑長邊的中間，因此本文將以該部位作為分析對(duì)象，在Y方向取一列土釘?shù)膶挾葋磉M(jìn)行簡化并且建立模型。模型寬度(即土釘?shù)乃介g距)1．2 m，攪拌樁厚度1 m，模型整體高30 m，長50 m，如圖1所示。土釘為鉆孔注漿釘，直徑100 mm，土釘長度如表1所示，土釘傾角15°，水平間距1．2 m，豎向間距1．4 m，設(shè)置每步開在基底以上0．5 m位置施工土釘。

圖1 FLAC3D模型

表1 土釘長度情況 m

具體模擬過程如下:

a．未支護(hù)、純土釘支護(hù)基坑開挖模擬過程為:建立模型，運(yùn)行至初始平衡狀態(tài);開挖1．6m，運(yùn)行至平衡、保存結(jié)果;開挖1．4m，運(yùn)行至平衡、保存結(jié)果;重復(fù)上一步至程序運(yùn)算收斂;

b．?dāng)嚢铇稄?fù)合土釘支護(hù)基坑開挖模擬:建立模型，運(yùn)行至初始平衡狀態(tài);設(shè)置攪拌樁;開挖1．6 m、設(shè)置土釘、運(yùn)行至平衡、保存結(jié)果;開挖1．4 m、設(shè)置土釘、運(yùn)行至平衡、保存結(jié)果;重復(fù)上一步至程序運(yùn)算收斂。

綜上，本次利用FLAC3D程序最終建立的模型以及選取的坐標(biāo)系統(tǒng)如圖1所示。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文將對(duì)開挖未支護(hù)的基坑坡體、純土釘支護(hù)的基坑坡體及攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)的基坑坡體過程進(jìn)行仿真模擬，之后將獲得的結(jié)果進(jìn)行分析。

2．1 基坑未支護(hù)開挖模擬

基坑開挖未支護(hù)條件下，獲得的結(jié)果如圖2所示。

圖2 基坑未支護(hù)時(shí)變形示意圖

依據(jù)模擬確定的參數(shù)，計(jì)算獲得直立開挖基坑的坡體自立穩(wěn)定高度為3．0m。因此，模擬中基坑開挖到第二步，即開挖至－3．0 m時(shí)，開挖坡體已達(dá)到土體彈性強(qiáng)度極限。第三步土體開挖之后，最大不平衡力不再收斂，即表示邊坡進(jìn)入了塑性流動(dòng)狀態(tài)，位移迅速變大，最終開挖至基底后，坡體水平最大位移為2．903 m，顯然坡體已經(jīng)因位移過大而坍塌。

2．2 純土釘支護(hù)基坑開挖坡體模擬

對(duì)純土釘支護(hù)的開挖坡體模擬后獲得的結(jié)果如圖3所示。土釘支護(hù)就是在土體內(nèi)設(shè)置一定長度和密度的土釘，它與土體協(xié)同工作形成復(fù)合土體，增強(qiáng)了坡體的穩(wěn)定能力，從而能夠支擋其后土體。

如圖3所示，基坑經(jīng)分步開挖到基坑底后，經(jīng)土釘加固的坡體最大水平位移值為0．172 m，表明土釘復(fù)合土體具有有效控制土體位移發(fā)展的作用。

圖3 純土釘支護(hù)開挖坡體變形云圖

2．3 攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)基坑開挖坡體模擬

對(duì)攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)的開挖坡體模擬后獲得的結(jié)果如圖4，圖5所示。

圖4 攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)開挖坡體變形云圖

模擬結(jié)果經(jīng)分析表明:攪拌樁和土釘組合起來形成復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其組合支護(hù)效果，從模擬分析獲得的水平位移結(jié)果如圖6所示分析得知，攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)基坑的水平位移為0．033 m，與同條件的攪拌樁支護(hù)相比降低了87．0%，與同條件的純土釘支護(hù)相比降低了80．8%。所以在綜合運(yùn)用攪拌樁與土釘墻的聯(lián)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑支護(hù)，較單獨(dú)使用時(shí)能夠在控制坡體位移等方面將獲得明顯效果。

圖5 攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)開挖坡體變形矢量圖

圖6 坑壁水平位移曲線

3 結(jié)語

1)均質(zhì)土層的基坑在無支護(hù)、純土釘支護(hù)、攪拌樁支護(hù)和攪拌樁土釘支護(hù)體系三種工況下跟隨開挖進(jìn)程，受影響土體的范圍逐漸擴(kuò)大，變化輪廓曲線呈弧形向下分布發(fā)展;

2)均質(zhì)土基坑在開挖較淺，還未設(shè)立支撐時(shí)，發(fā)生朝向基坑方向的水平位移，即墻頂位移最大，墻體繞底部以下某一點(diǎn)向坑內(nèi)傾轉(zhuǎn)。隨著基坑開挖深度的增加，墻體繼續(xù)表現(xiàn)為向基坑內(nèi)的三角形水平位移或者平行剛體位移，在設(shè)置支撐后，墻體水平位移趨于不變或逐漸向基坑外移動(dòng)，墻體腹部向基坑內(nèi)凸出。待開挖到最后一步到達(dá)基坑底部之后，最大位移出現(xiàn)在距坑底一定的高度位置;

3)在綜合運(yùn)用攪拌樁與土釘墻的聯(lián)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑支護(hù)，較單獨(dú)使用時(shí)能夠在控制坡體位移等方面將獲得明顯效果。攪拌樁和土釘組合起來形成復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其組合支護(hù)效果，從模擬分析獲得的水平位移結(jié)果分析得知，攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)基坑的水平位移與同條件的攪拌樁支護(hù)相比降低了87．0%，與同條件的純土釘支護(hù)相比降低了80．8%。

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