基于FLAC3D的復(fù)合土釘墻支護(hù)模擬分析

黃素麗

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，地下空間也隨之得到充分的利用，如地下車庫、地下商場、地鐵等。這些地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)都需要運(yùn)用深基坑支護(hù)技術(shù)，以確保工程的安全進(jìn)行。近年來，深基坑支護(hù)技術(shù)已經(jīng)成為高層建筑等工程建設(shè)中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，越來越受到工程界和學(xué)術(shù)界的重視[1]。復(fù)合土釘墻支護(hù)體系在深基坑支護(hù)工程中，對基坑的整體穩(wěn)定性、抗?jié)B性能、抗隆起性能等有很大的提升，能夠有效控制基坑的水平位移，具有安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、工程量小、經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)[2-3]。隨著科技的進(jìn)步，可以借助FLAC3D[4]、MIDAS/GTS[5]和Geostudio[6]等數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，為實(shí)際工程提供指導(dǎo)。本文以鄭州某深基坑支護(hù)為研究對象，借助FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 工程及環(huán)境條件

擬建工程場地為拆遷場地，地形平坦，形狀為較規(guī)則的矩形。擬建建筑物為三幢高層住宅樓、商業(yè)裙房及地下室，基坑開挖深度16 m。場地北側(cè)臨城市規(guī)劃道路，基坑底邊線距離紅線4.2 m；東側(cè)臨施工道路，基坑底邊線距離紅線3 m，南側(cè)臨近街道，基坑底邊線距離紅線5.5 m，西側(cè)臨近七層住宅樓，基坑底邊線距離紅線5 m，場地環(huán)境條件比較復(fù)雜。

1.2 地質(zhì)條件

擬建場地地貌單元屬黃河二級階地，地質(zhì)資料顯示，對于基坑支護(hù)降水有影響的地層主要為上部6個地層，為第四系沖洪積粉、粉質(zhì)黏土等。 地下水穩(wěn)定水位埋深27.0 m左右，地下水類型為潛水，一般水位年變幅1.0 m左右。近3～5 a中較高水位為25.0 m。 參考工程的勘察報告，土層參數(shù)詳見表1。

表1 各土層參數(shù)

1.3 深基坑支護(hù)方案

考慮到基坑西側(cè)臨近七層住宅樓，基坑采用預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘墻支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見圖1。

2 模型的建立

2.1 模型建立

模型采用空間直角坐標(biāo)系，x軸為垂直于基坑坑壁并且指向未開挖方向，y軸為平行于基坑坑壁指向遠(yuǎn)離我們的一側(cè)，z軸為基坑開挖深度與開挖方向相反。本模型的計算模型長度為80 m，寬度為15 m，深度為60 m。開挖支護(hù)模擬分為10個步驟，基坑開挖深度為16 m，按1∶0.30進(jìn)行放坡開挖，每開挖一次進(jìn)行支護(hù)一次，整個施工過程見表2。

圖1 基坑剖面圖

工況施工階段1開挖至2m，安裝第一排土釘2開挖至3．5m，安裝第一排錨索3開挖至5m，安裝4開挖至6．5m5開挖至8m工況施工階段6開挖至9．5m7開挖至11m8開挖至12．5m9開挖至14m10開挖至16m

三維實(shí)體模型和結(jié)構(gòu)單元模型見圖2。模型由144 000個單元，156 816個節(jié)點(diǎn)組成，并且設(shè)置了多種結(jié)構(gòu)單元，包括liner單元、cable單元、beam單元和pile單元。模型采用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，在FLAC3D獨(dú)有的大變形模式下進(jìn)行計算，并且結(jié)構(gòu)單元認(rèn)為是理想彈性體。

圖2三維模型和結(jié)構(gòu)單元模型圖3最大不平衡力隨開挖時步的變化曲線

2.2 邊界條件

邊界條件的確定原則為：在模型內(nèi)部對稱面上施加位移邊界條件，通常是約束對稱軸側(cè)向位移，使模型在該方向上的位移為零，而在外部表面上施加應(yīng)力邊界條件。本模型的邊界條件是固定模型邊界x=0面所有點(diǎn)x方向位移，固定模型邊界x=80面所有點(diǎn)x方向位移，固定模型邊界y=0面所有點(diǎn)y方向位移、固定模型邊界y=15面所有點(diǎn)y方向位移，固定模型邊界z=20面所有點(diǎn)x、y和z方向位移。

3 模型成果分析

3.1 不平衡力演化曲線

隨著基坑的開挖，不平衡力會在每步開挖后有突然增大的趨勢，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)對基坑進(jìn)行支護(hù)后，最大不平衡力又逐漸趨于零，基坑穩(wěn)定。為了真實(shí)地模擬基坑的開挖過程，需要在基坑開挖前將節(jié)點(diǎn)的位移和節(jié)點(diǎn)速度進(jìn)行清零。

由圖3可知：第一步到第五步最大不平衡力較小，開挖對基坑的穩(wěn)定性影響較小，在基坑開挖的第六步、第八步和第十步變化幅度較大，特別是基坑開挖的第八步最大平衡力達(dá)到最大值，開挖完成，最大不平衡力峰值降低最后趨向于零，基坑開挖支護(hù)完成處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 土體應(yīng)力的變化

隨著基坑的開挖，土體的應(yīng)力將直接對基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在FLAC3D中，對于應(yīng)力的符號默認(rèn)為拉力為正、壓力為負(fù)。

3.2.1 土體最大和最小主應(yīng)力

圖4和圖5分別對應(yīng)的是土體最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。首先明顯看出最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力都是呈現(xiàn)為從上往下逐漸增加的應(yīng)力狀態(tài)。隨著基坑的開挖，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖逐漸下移，也就是隨著開挖卸荷，主應(yīng)力逐漸減小。

圖4土體最大主應(yīng)力云圖圖5土體最小主應(yīng)力云圖

3.2.2 土體剪應(yīng)力

圖6和圖7分別是工況4和工況10下的土體τxy云圖。圖8和圖9分別是工況4和工況10下的土體τxz云圖。在τxy等值線圖中，在基坑開挖的底角部位有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著基坑開挖深度的增加，剪應(yīng)力也緩慢增加，到開挖完成，應(yīng)力集中區(qū)范圍有所擴(kuò)散。對于支護(hù)結(jié)構(gòu)的末端也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到一定程度超過土體的抗剪強(qiáng)度，會發(fā)生剪切屈服破壞，使基坑處于危險狀態(tài)。

在τxz等值線圖中，在基坑底角下部剪應(yīng)力值最大，工況4坡角下部最大剪應(yīng)力為3.98×104Pa，基坑邊坡坡面處最大剪應(yīng)力在坡面下部，剪應(yīng)力值為2.5×104Pa；工況10坡角下部最大剪應(yīng)力為8.00×104Pa，基坑開挖坡面處最大剪應(yīng)力值為5.0×104Pa。

圖6工況4土體τxy云圖圖7工況10土體τxy云圖

圖8工況4土體τxz云圖圖9工況10土體τxz云圖

3.3 土體位移模擬分析

對于各種基坑支護(hù)來說，利用土體的水平位移和豎向位移對基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。基坑每步開挖與支護(hù)，土體都將達(dá)到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，對應(yīng)的是位移的變化也趨于穩(wěn)定。

3.3.1 水平位移

(1)水平位移云圖

工況4基坑頂部水平位移達(dá)到了2 mm左右。工況10完成了基坑的開挖與支護(hù)，基坑最大水平位移發(fā)生在基坑開挖面的中下部，水平位移值達(dá)到15 mm。都在基坑監(jiān)測變形的安全范圍內(nèi)，根據(jù)水平位移云圖明顯可以看出，較大的位移發(fā)生在基坑的中下部，需要在施工過程中加以重視。見圖10和圖11。

圖10工況4水平位移云圖圖11工況10水平位移云圖

(2)基坑坡頂水平位移記錄曲線

為更好地研究基坑頂部土體在基坑開挖中的位移變化，沿基坑頂部設(shè)置了幾個水平位移跟蹤記錄點(diǎn)?；悠马斔轿灰朴涗浨€顯示，水平位移在前期向坑外移動，后期逐漸向坑內(nèi)移動。從最上面的曲線(id=39)開始，依次為距離基坑頂部邊沿0 m、1 m、3 m和5 m的四個節(jié)點(diǎn)位移曲線。整個的變化趨勢相同，每一步的開挖，經(jīng)過一段時間達(dá)到平衡，依次完成十步的開挖與支護(hù)，在圖12中曲線的末端趨于水平，基坑達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖12基坑坡頂水平位移記錄曲線圖13工況4垂直位移云圖

3.3.2 垂直位移

(1)垂直位移云圖

圖13和圖14分別是工況4和工況10的垂直位移等值線圖。工況4豎向位移達(dá)8 mm左右，基坑底部土體卸載，引起基坑回彈產(chǎn)生基坑隆起現(xiàn)象，最大隆起量達(dá)20 mm。工況10從豎向位移云圖可以看出基坑隆起量達(dá)到38 mm。隨著基坑的開挖，基坑底部開挖面下的隆起量從上往下逐漸遞減。

圖14 工況10垂直位移云圖

(2)基坑坡頂垂直位移記錄曲線

圖15是從最上面的曲線(id=2)開始，依次為距離基坑頂部邊沿0 m、1 m、3 m和5 m的四個節(jié)點(diǎn)位移曲線。距離基坑邊沿越近豎向位移越大，四個階段的變化趨勢一樣，隨著基坑的開挖，豎向位移前期緩慢增加，當(dāng)達(dá)到最大值后又有所恢復(fù)，并且最后開挖完成趨于穩(wěn)定。

圖15 基坑坡頂垂直位移記錄曲線

3.4 土釘與錨索的軸力分析

工況1對于土釘軸力，土釘軸力由中間向兩邊逐漸減小，中部所受軸力最大，兩端較小。工況4是兩排土釘和兩排錨索共同作用，土釘?shù)妮S力沿土釘長度方向上均勻受力，在約束基坑水平位移上，兩排錨索發(fā)揮比較重要的作用。工況7可以看出四排土釘三排錨索所受軸力，最上一排和最下一排土釘依舊是沿土釘長度方向均勻受力，第二排土釘軸力由原來的均勻受力逐漸發(fā)展成為中間大兩側(cè)小，第三排土釘軸力為中間大兩邊小。隨基坑開挖深度的增加，錨索軸力加大，中下部兩排錨索所受軸力較為突出。工況10可以看出六排土釘四排錨索所受軸力，最上一排土釘依舊是沿土釘長度方向均勻受力，第二排及以下土釘軸力明顯可以看出中間大兩邊小。對于錨索所受軸力，從剛開始的第二排錨索繼續(xù)向下發(fā)展，發(fā)展到下部兩排錨索所受軸力較大。對于錨索作用充分發(fā)揮的同時，將會影響土釘作用的發(fā)揮。見圖16～圖19。

對于預(yù)應(yīng)力錨索的錨固段和自由段所受軸力，預(yù)應(yīng)力錨索在自由段長度上的軸力大小相等，錨固段軸力沿錨固段長度方向逐漸減小。

圖16工況1土釘與錨索軸力圖圖17工況4土釘與錨索軸力圖

圖18工況7土釘與錨索軸力圖圖19工況10土釘與錨索軸力圖

4 結(jié)論

通過運(yùn)用FLAC3D對某深基坑工程的預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘墻支護(hù)體系進(jìn)行模擬分析，主要結(jié)論有：

(1)在基坑開挖的底角部位和支護(hù)結(jié)構(gòu)末端有應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著基坑開挖深度的增加，剪應(yīng)力也緩慢增加，當(dāng)達(dá)到一定程度超過土體的抗剪強(qiáng)度，會發(fā)生剪切屈服破壞，使基坑處于危險狀態(tài)。隨著基坑的開挖完成，基坑應(yīng)力集中區(qū)范圍有所擴(kuò)散。同時，水平位移云圖也顯示，較大的位移發(fā)生在基坑的中下部，這就需要在施工過程中加以重視。

(2)深基坑分布開挖支護(hù)過程中，土釘聯(lián)合錨索的共同作用，土釘軸力由未安裝錨索時的中間大兩邊小，到隨著基坑的開挖完成，最上一排土釘變?yōu)榫鶆蚴芰Γ诲^索軸力從工況4的第一排錨索和第二排錨索所受軸力較大，到工況7的第二排和第三排錨索，再到工況10的第三排和第四排錨索所受軸力較大，這是錨索軸力隨基坑開挖的向下發(fā)展的變化過程。開挖過程中，錨索作用得到了充分的發(fā)揮，但是土釘作用受到影響，這需要更好的分析兩者的共同作用，提高整體的利用率，安全的前提下，能夠更好的減少造價。

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