某地鐵車站基坑工程的FLAC3D數(shù)值模擬分析

曹日躍

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 安徽　合肥　230601)

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某地鐵車站基坑工程的FLAC3D數(shù)值模擬分析

曹日躍

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 安徽合肥230601)

[摘要]運(yùn)用FLAC3D巖土軟件對某地鐵一號線深基坑進(jìn)行開挖與支護(hù)的模擬，計(jì)算中采用摩爾-庫倫彈塑性模型.通過計(jì)算得出基坑水平位移、墻后土體水平位移、地表沉降，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，可為深基坑工程施工與支護(hù)提供參考.

[關(guān)鍵詞]FLAC3D；基坑開挖與支護(hù)；地表沉降

近年來，我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市化率越來越高，城市建設(shè)、交通水利等建設(shè)取得了令人矚目的成績.城市化不斷發(fā)展，產(chǎn)生了大量的基坑開挖工程，而且基坑開挖規(guī)模越來越大，基坑開挖的深度也越來越深，面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)也越來越大.深基坑開挖工程不僅對技術(shù)要求非常高，而且面臨的工程情況非常復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問題后果將會非常嚴(yán)重，處理難度很大.基坑的變形和應(yīng)力狀態(tài)是一個支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體共同作用的問題[1].這是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，目前尚不能定量分析.目前研究地下工程巖土體的穩(wěn)定性和應(yīng)力應(yīng)變問題一般采用軟件模擬與實(shí)測值相比較給出定性的分析，主要采用的是理論導(dǎo)向、現(xiàn)場監(jiān)測和經(jīng)驗(yàn)判斷三者相結(jié)合的方法[2].

1FLAC3D簡介

FLAC3D[3]是快速拉格朗日差分分析(Fast Lagrangian Analysis of Continuum)的簡寫.它是有限差分軟件，能夠動態(tài)模擬計(jì)算巖土體受力與變形形態(tài).相對于其他有限元軟件，F(xiàn)LAC3D在模擬巖土體的屈服、塑性流動、蠕變直至大變形有其獨(dú)特的優(yōu)勢.FLAC3D軟件具有很強(qiáng)的解決復(fù)雜巖土工程問題的能力，在國際巖土工程學(xué)術(shù)界享有盛譽(yù).

2本構(gòu)模型的介紹

摩爾-庫倫模型是以摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則為計(jì)算基礎(chǔ)，并以摩爾-庫倫強(qiáng)度線作為屈服線.破壞準(zhǔn)則方程可表示為：

(1)

(1)式中，σ1和σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，φ為土的內(nèi)摩擦角，C為土的黏聚力.

該模型作為理想彈塑性模型，僅包含一個破壞面，應(yīng)力大小在破壞面以內(nèi)表現(xiàn)出彈性變形.當(dāng)應(yīng)力大小達(dá)到破壞面上時，變形表現(xiàn)為理想彈塑性特征，應(yīng)力水平基本不變，變形無限增大.如圖1所示.

摩爾-庫倫模型參數(shù)較少，包括彈性模量E、泊松比ν、黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ.

3FLAC3D模型的建立

3.1工程背景

本文分析某地鐵車站中的深基坑開挖.基坑長450 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度為20.7 m，底板埋深為17 m，基坑巖層根據(jù)地勘報(bào)告確定，結(jié)構(gòu)面發(fā)育良好，層厚較小，為Ⅳ級圍巖模型.近似處理為均勻巖體.

圖1　理想彈塑性模型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

基坑施工采用明挖順作法施工.該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻加三道內(nèi)撐的支護(hù)體系.第一道采用鋼筋混凝土支撐，第二、第三道采用鋼支撐并施加預(yù)應(yīng)力.

3.2建立模型

建立正確的工程模型是數(shù)值模擬計(jì)算的重要前提[4].本文模型包括兩部分： 第一部分是土體和地下連續(xù)墻，第二部分是混凝土支撐和鋼支撐.

根據(jù)實(shí)際基坑開挖的邊界，確定沿基坑軸線向里增大的方向?yàn)閅 軸正方向，基坑橫斷面向右方向?yàn)閄軸正方向，豎直向上為Z軸正方向.根據(jù)對稱原理，原點(diǎn)建立在基坑開挖中心處[5].數(shù)值模型的計(jì)算范圍為：寬度長20 m，開挖深度19 m，基坑長度36 m.根據(jù)地勘報(bào)告，模型劃分為5個土層.本例圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以采用襯砌單元模擬.根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)取影響范圍為4倍開挖深度，整個模型尺寸為80×144×76 m，模型共11 086個節(jié)點(diǎn)，9 506個單元.如圖2所示.

圖2　基坑模型

3.3計(jì)算參數(shù)

模型共有3種材料：土體、混凝土、鋼材.土體材料使用M-C模型，其他都采用各項(xiàng)同性的的彈性模型.開挖部分采用null模型.各材料的參數(shù)如表1和表2所示.

表1　土體材料參數(shù)

表2　混凝土及鋼材材料參數(shù)

4工況及計(jì)算結(jié)果

數(shù)值模擬分析的工況要盡量與實(shí)際施工方案相近[6].本基坑施工步驟如下：工況一在基坑開挖至一定深度后澆筑第一道混凝土支撐，等到支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，土方開挖至第二道鋼支撐；工況二安裝第二道鋼支撐，施加預(yù)應(yīng)力，土方開挖至第三道鋼支撐；工況三安裝第三道鋼支撐，施加預(yù)應(yīng)力，土方開挖至第四道換撐；工況四安裝好第四道換撐，施加預(yù)應(yīng)力，土方開挖至坑底標(biāo)高；工況五澆筑基坑底板，在達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時拆除換撐.

4.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

圖3反映了開挖最大不平衡力與時間(步長)的關(guān)系.從曲線中可以看出, 基坑圍巖不平衡力在變形的初期有較大幅度的調(diào)整, 隨后逐漸趨于穩(wěn)定.當(dāng)基坑開挖時，土體應(yīng)力重分布，在基坑開挖的拐角處位移變形量較大，為基坑的最不穩(wěn)定區(qū)域，在施工過程中應(yīng)重視.

圖3　體系最大不平衡力

圖4反映了測點(diǎn)深度與地下連續(xù)墻變形的關(guān)系.由圖4可知，從工況一到工況二、工況三到工況四這兩個過程地下連續(xù)墻的側(cè)移變形很快.這是因?yàn)榈诙冷撝蔚拇怪备叨容^大，開挖時無支撐的土體暴露時間較長，所以墻體位移變形很快.為了基坑開挖的安全和控制土體變形，在施工中基坑內(nèi)的支撐應(yīng)合理安排，每次開挖的垂直高度應(yīng)小點(diǎn).

4.2地表沉降結(jié)果分析

分析圖5可知，在各個不同的工況下當(dāng)進(jìn)行基坑開挖時，地表會產(chǎn)生不同程度的沉降.由圖6可知，地表最大沉降大約發(fā)生在墻背后20 m處.隨著距離基坑邊緣越來越遠(yuǎn)，沉降值越來越小并趨于某穩(wěn)定值.與墻體側(cè)移一樣，地表沉降變形最快的階段也是第一、二工況和第三、四工況階段.這進(jìn)一步說明了基坑無支護(hù)暴露時間越長，變形就越大.

圖4　地下連續(xù)墻側(cè)移

圖5　地表沉降位移云圖

圖6　地表沉降曲線

隨著基坑開挖的進(jìn)行，地表沉降也逐漸增大，說明土體應(yīng)力釋放使得地表沉降增大，在施工中應(yīng)給予及時的支護(hù)，阻止變形加大并保證施工安全.

5結(jié)論

在計(jì)算得出墻后土體水平位移、地表沉降的模擬結(jié)果分析后可知，在基坑開挖初期，土體變形值不斷增加.此時施工應(yīng)注重支護(hù)，布置基坑支護(hù)應(yīng)盡量密些，并對施工技術(shù)給予改進(jìn)，邊開挖邊支護(hù)，開挖的垂直高度也應(yīng)有合理的設(shè)計(jì).開挖基坑的地表沉降最大值位置大約是0.9倍開挖深度.基坑開挖對周圍土體的影響隨著距離基坑邊緣越來越遠(yuǎn)，影響也越來越小.

從上述各個數(shù)值模擬計(jì)算圖可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測值大致吻合，說明FLAC3D用于基坑開挖后圍巖穩(wěn)定性分析是非常有效的, 可以為以后的深基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)提供有效的工具.

[參考文獻(xiàn)]

[1]張飛，張朋，王瑞智，等. 基于FLAC3D的煤巷錨桿支護(hù)參數(shù)的模擬分析[J]. 煤炭工程，2011(6)：97-99.

[2]郭海燕，李勝林，張?jiān)? 深基坑開挖與支護(hù)的有限元模擬[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(1):165-168.

[3]陳育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M]. 北京：中國水利水電出版社,2013：2-5.

[4]周琪，晏航宇. 有限差分對高邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J]. 工程建設(shè)，2015(3):1-6.

[5]王亮. 水平旋噴樁成拱預(yù)加固隧洞開挖施工數(shù)值分析[J]. 重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào),2013(3):48-51.

[6]李佳宇，張子新. 圓礫層地鐵車站深基坑變形特征三維數(shù)值分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012(1):71-76.

(責(zé)任編輯穆剛)

Analysis of FLAC3D numerical simulation of foundation pit engineering for a metro station

CAO Riyue

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei Anhui 230601, China)

Abstract：The simulation of excavation and support on the deep pit of a metro station was carried out using the software FLAC3D. During the simulation, the Mohr-Coulomb model was used. This simulation offers the horizontal displacement of the soil behind the vertical wall and the surface settlement of the foundation pit in every step, providing a reference for the deep foundation pit engineering construction and support.

Key words：FLAC3D; foundation pit excavation and support; surface subsidence

[中圖分類號]TU473.2

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0098-04

[作者簡介]曹日躍(1991—)，男，安徽合肥人，碩士，主要從事地下工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化與穩(wěn)定性分析方面的研究.

[收稿日期]2015-10-15