基于FLAC3D的深基坑支護(hù)三維數(shù)值模擬分析

程澤海,于振帥

(浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,杭州 310023)

基于FLAC3D的深基坑支護(hù)三維數(shù)值模擬分析

程澤海,于振帥

(浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,杭州 310023)

為研究基坑不同支護(hù)方式對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及穩(wěn)定性的影響,利用FLAC3D三維快速拉格朗日差分方法對(duì)某地鐵深基坑分步開挖與支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)兩種支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明:地下連續(xù)墻最大水平位移出現(xiàn)在墻頂,且位于地下連續(xù)墻長(zhǎng)度方向的中部;在分步開挖時(shí),第一步開挖時(shí)地下連續(xù)墻的位移變化率與第二步開挖時(shí)的位移變化率相同。研究還發(fā)現(xiàn),采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的支護(hù)方案對(duì)地下連續(xù)墻的側(cè)向位移有較明顯的抑制作用。

深基坑;支護(hù)結(jié)構(gòu);數(shù)值模擬分析;FLAC3D

隨著中國(guó)軌道交通的興建和發(fā)展,地鐵車站基坑的開挖深度越來越深,其地質(zhì)條件和周邊環(huán)境也越來越復(fù)雜。由于地鐵軌道穿過的地段城市交通流量較大,且地下市政工程比較密集,這就要求深基坑支護(hù)既要保證坑內(nèi)的正常安全作業(yè),又要預(yù)防坑底變形過大及周圍土體產(chǎn)生過量位移,在保證自身穩(wěn)定的同時(shí)又要兼顧基坑相鄰建筑物、構(gòu)筑物及地下管網(wǎng)的安全。這對(duì)地鐵車站深基坑工程的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)和施工提出了更高的要求。因此,深基坑開挖與支護(hù)問題已經(jīng)成為巖土工程界的熱點(diǎn)問題之一[1]。

目前,基坑工程逐漸向深度更深與規(guī)模更大的方向發(fā)展,對(duì)不同的工程特點(diǎn)要選用合理的支護(hù)形式,否則容易引起土體嚴(yán)重滑移,基坑嚴(yán)重失穩(wěn)變形等工程事故,這就對(duì)深基坑支護(hù)體系的設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)提出了更高的要求[2]。丁勇春等[3]認(rèn)為基坑與土體的變形相互關(guān)聯(lián),具有明顯的空間特性;劉繼國(guó)等[4]通過模擬基坑開挖發(fā)現(xiàn)，坑底墻后土體水平位移最大,墻后土體最大沉降位于墻后15 m左右處。為了對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)作出預(yù)測(cè),需研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形,筆者對(duì)某地鐵車站深基坑支護(hù)進(jìn)行模擬并作對(duì)比分析,討論了在地下連續(xù)墻和地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐2種方案下,地下連續(xù)墻側(cè)向位移的變化規(guī)律,可作為類似基坑工程的設(shè)計(jì)和施工之參考。

1 彈塑性分析理論

1.1 力學(xué)分析軟件FLAC3D

FLAC3D(fast lagrangian analysis of continua 3D)是20世紀(jì)90年代美國(guó)ITASCA公司研發(fā)出的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件[5],能夠運(yùn)用巖石力學(xué)理論模擬材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或塑性流動(dòng)時(shí)的三維力學(xué)性質(zhì),適用于模擬施工過程和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題,具有在大變形問題求解過程中可采用小變形的本構(gòu)關(guān)系等優(yōu)點(diǎn)[6]。FLAC3D包含非線性彈性、Mohr-Coulomb和劍橋模型等10種彈塑性本構(gòu)模型及5種計(jì)算模式,可以模擬巖土工程中樁基、襯砌和土工織物等多種結(jié)構(gòu),采用顯式差分和混合離散法使得求解更準(zhǔn)確,是目前重要的數(shù)值方法之一,可以模擬復(fù)雜的巖土工程或力學(xué)問題[7-8]。

1.2 彈塑性本構(gòu)關(guān)系

在基坑開挖過程中,土體內(nèi)部屈服會(huì)形成一定范圍的塑性區(qū)并產(chǎn)生塑性變形,對(duì)此,筆者選用Mohr-Coulomb模型來模擬土的本構(gòu)關(guān)系[9]。Mohr-Coulomb模型以Mohr-Coulomb強(qiáng)度包線作為屈服線,屈服面函數(shù)為:

F=Rmcq-ptanφ-c,

(1)

式(1)中:φ為材料的內(nèi)摩擦角;c為材料的黏聚力;p為平均正應(yīng)力;q為廣義剪應(yīng)力。Rmc的表達(dá)式如下。

(2)

式(2)中:Θ為極偏角;J為第三偏應(yīng)力不變量。Mohr-Coulomb模型中的屈服面如圖1所示。

圖1 Mohr-Coulomb模型屈服面Fig.1 Yield surface of Mohr-Coulomb model

1.3 接觸面單元模型

FLAC3D中的接觸面單元可以用來模擬巖土體中的節(jié)理、斷層,地基與土體之間的接觸,相互碰撞物體之間的接觸面,以及空間中的障礙邊界條件等[10]。在基坑支護(hù)與開挖分析中,支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的接觸行為用接觸單元模擬。其基本方法是:當(dāng)接觸面上的切向力小于最大切向力|Fs|

Fsmax=cifA+tanφif(Fn-uA),

(3)

式(3)中:cif為接觸面的黏聚力;A為接觸面的面積;φif為接觸面的摩擦角;u為孔隙水壓力。

2 工程實(shí)例介紹

2.1 工程概況

某地鐵車站基坑長(zhǎng)180 m,標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度為18 m,為地下2層式結(jié)構(gòu),頂板覆土厚度大于3 m,開挖深度12 m。該工程主體建筑面積25 194.9 m2,車站為地下2層箱型結(jié)構(gòu)?；訄?chǎng)地狹小,兩旁為密集的中高層建筑物,且緊鄰城市道路,車站所處站址位置周邊環(huán)境復(fù)雜,交通流量大。

2.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,該地區(qū)基巖為泥盆系下統(tǒng)與白堊系下統(tǒng)的碎屑巖,分布于該地區(qū)中部、南部的低山和丘陵地帶,擬建地區(qū)未發(fā)現(xiàn)巖溶、危巖和液化土層等不良地質(zhì)條件。人工填土層結(jié)構(gòu)松散,強(qiáng)度較低,粉質(zhì)黏土層可塑狀態(tài)具有弱膨脹性。

該地區(qū)淺層地下水屬于第四系孔隙潛水,主要賦存于砂礫層中,補(bǔ)給來源主要為地表徑流和大氣降水,是該區(qū)富水層位,潛水位埋深2.9～3.6 m,具微承壓性;上覆多層粉質(zhì)黏土,層厚2.0～7.0 m。該地區(qū)砂礫和圓礫層為強(qiáng)透水層,其余各層為弱透水層,土層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 土層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of soil layer

3 三維數(shù)值計(jì)算

3.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案選擇

懸臂式排樁墻支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于基坑開挖深度較淺、土質(zhì)較好,而且可允許產(chǎn)生較大變形的基坑,軟黏土地基的基坑深度一般小于6 m;內(nèi)支撐式支護(hù)結(jié)構(gòu),圍護(hù)體系可采用排樁或地下連續(xù)墻,此方法應(yīng)用最為廣泛,對(duì)各種土層均適用,若采用排樁墻圍護(hù)體系,基坑深度一般大于6 m,并輔以水泥土止水帷幕;地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于建筑物密集地區(qū),側(cè)壓承受能力強(qiáng),開挖后變形小,對(duì)周邊建筑物影響較小;加筋水泥土墻加內(nèi)支撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)水泥土施工方法分為SMW(soil mixing wall,新型水泥土攪拌樁墻)工法和TRD(trench-cutting and re-mixing deep wall method,混合攪拌壁式地下連續(xù)墻)工法,前者構(gòu)造簡(jiǎn)單,工期短,對(duì)周圍環(huán)境影響小,適用于黏性土和砂性土,后者則適用于各種土層,且形成的連續(xù)墻厚度一致,均勻性好,造價(jià)更低,對(duì)周邊構(gòu)筑物或管線影響較小,施工深度可達(dá)60 m;排樁墻加拉錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于可提供較大的錨固力地基中的基坑,保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)有較大的剛度,基坑面積大,優(yōu)越性顯著,通常采用注漿法增加錨桿錨固力[12]。該工程開挖深度為12 m,車站所處位置周邊環(huán)境復(fù)雜，交通流量大,土層以黏土為主,綜合考慮,該深基坑工程采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)方案。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)為1 000 mm厚地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐(兩道內(nèi)支撐加一道換撐)的支護(hù)體系。地下連續(xù)墻嵌固深度為20 m,混凝土強(qiáng)度為C35,第一道和第二道支撐均采用直徑D為600 mm,壁厚t為16 mm,水平間距為3 m的鋼管支撐。冠梁同時(shí)作為支撐的圍檁,鋼圍檁為雙拼工字型鋼。

3.3 模型建立

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Numerical model

由于該基坑整體形狀是規(guī)則布置,根據(jù)對(duì)稱性原理,取實(shí)際基坑工程尺寸的一半進(jìn)行研究,此外,基坑長(zhǎng)180 m,參考平面應(yīng)變模型分析,長(zhǎng)度方向處于相同的受力狀態(tài),若選取實(shí)際模型會(huì)產(chǎn)生重復(fù)計(jì)算并降低計(jì)算效率,故截取一部分進(jìn)行研究?；娱_挖的影響范圍約為開挖深度的2～3倍,根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果和經(jīng)驗(yàn),最終確定的模型尺寸為90 m×150 m×40 m。在建模過程中,地下連續(xù)墻和周邊土體采用實(shí)體單元模擬,鋼支撐采用梁?jiǎn)卧M,計(jì)算模型如圖2所示。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在基坑開挖后,為了研究地下連續(xù)墻的位移,簡(jiǎn)化地下連續(xù)墻的模型,取圖2中的A、B、C、D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的水平位移進(jìn)行研究。第一步開挖即開挖6.7 m后,施加第一道支撐,得到豎直方向的位移云圖(圖3),當(dāng)基坑開挖時(shí),坑底會(huì)出現(xiàn)部分回彈,這是由于開挖卸載導(dǎo)致原來的應(yīng)力平衡被打破,從而引起應(yīng)力重分布。開挖完成后基坑坑底回彈曲線如圖4所示,隨著基坑開挖深度的增加,基坑底部土體因卸荷回彈,回彈量隨著距地下連續(xù)墻的距離呈非線性增長(zhǎng),具有一定的空間效應(yīng)[13],各步開挖后,基坑中心處的最大變形量分別為54.1、77 mm?；拥撞柯∑饡?huì)引起土體應(yīng)力重分布,在基坑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行抗隆起驗(yàn)算,并在施工過程中采取一定的加固措施,以避免基坑和地下結(jié)構(gòu)被破壞。

圖3 第一步開挖后位移云圖Fig.3 Contour of displacement after first-step excavation

圖4 基坑坑底回彈曲線Fig.4 Curves of pit bottom upheaval

在初始應(yīng)力平衡時(shí),所需的計(jì)算步為4 215步。進(jìn)行開挖前,定義土體初始位移、速度和塑性區(qū)為零,所以計(jì)算從第4 220步開始運(yùn)算。建立模型時(shí),定義最大不平衡力比率小于10-5時(shí)計(jì)算終止。

僅有地下連續(xù)墻而不設(shè)內(nèi)支撐時(shí),地下連續(xù)墻墻頂水平位移如圖5所示;當(dāng)采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐支護(hù)形式時(shí),地下連續(xù)墻墻頂水平位移如圖6所示。

由圖5可以看出,隨著基坑開挖深度加深,地下連續(xù)墻墻頂位移逐漸增大。當(dāng)?shù)谝徊介_挖完成即開挖6.7 m后,地下連續(xù)墻墻頂最大位移為14.1 mm,基坑開挖時(shí),地下連續(xù)墻會(huì)發(fā)生向基坑內(nèi)側(cè)偏移。通過對(duì)比圖5(a)、(b)發(fā)現(xiàn)，地下連續(xù)墻沿長(zhǎng)度方向的中部受力最大,發(fā)生的側(cè)向位移最大,B點(diǎn)偏移量比A點(diǎn)多35.6%。第二步開挖完成后,得到類似結(jié)論,即地下連續(xù)墻墻頂位移最大為24.3 mm,位于地下連續(xù)墻中部,A點(diǎn)最大側(cè)向位移為17.7 mm,較地下連續(xù)墻中部少37.3%。由圖5(a)可知,在第一步開挖過程和第二步開挖過程中,地下連續(xù)墻A處的位移增長(zhǎng)率相同,在B、C、D處也能得到相同的結(jié)論。

圖5 地下連續(xù)墻墻頂水平位移(無支撐)Fig.5 Horizontal displacement at the top of underground diaphragm walls(without brace)

圖6 地下連續(xù)墻墻頂水平位移(有支撐)Fig.6 Horizontal displacement at the top of underground diaphragm walls(with brace)

當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐時(shí),計(jì)算能達(dá)到同樣的精度,但計(jì)算步明顯減少,第一步開挖僅需計(jì)算到6 445步,第二步開挖僅需計(jì)算到8 530步,這說明內(nèi)支撐使地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體位移變化很小。由圖6可知,第一步開挖時(shí)墻頂位移最大為7.3 mm,第二步開挖時(shí)墻頂位移最大為10.2 mm,位于地下連續(xù)墻中部,這一結(jié)果與圖5無支撐方案時(shí)相同。

此外,比較圖5與圖6可知,當(dāng)只有地下連續(xù)墻作支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),位移增加速率較大；而采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐時(shí),位移增加速率相對(duì)較小,墻頂最大側(cè)向位移減少58%。

4 結(jié) 語

深基坑支護(hù)工程是一個(gè)系統(tǒng)工程,在進(jìn)行支護(hù)方案選擇時(shí)需綜合考慮多方面的因素,在保證安全的前提下,選擇更加經(jīng)濟(jì)、合理的方案?；邮鹿实陌l(fā)生由許多因素引起,但多是由于選擇了不合理的支護(hù)方案。本研究探索了僅有地下連續(xù)墻和地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐2種支護(hù)方案時(shí)地下連續(xù)墻墻頂位移的變化規(guī)律,得到如下結(jié)論:

1)基坑開挖后,由于卸荷作用基坑坑底會(huì)出現(xiàn)土體隆起現(xiàn)象,隆起位移隨著開挖深度和距地下連續(xù)墻距離的增加而增大,基坑中心處最大隆起位移達(dá)77 mm,建議對(duì)坑底進(jìn)行加固以減小隆起量。

2)本研究中2種支護(hù)方案結(jié)果均顯示最大水平位移位于地下連續(xù)墻長(zhǎng)度方向的中部。

3)選用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐方案,地下連續(xù)墻墻頂位移變化幅度和變化率較小,墻頂最大側(cè)向位移減少58%,內(nèi)支撐對(duì)墻體變形影響明顯。

采用何種支護(hù)形式關(guān)系到基坑的穩(wěn)定與安全,所以還有必要深入研究地下連續(xù)墻加錨桿或土釘墻加錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移應(yīng)力變化情況。此外,支撐剛度是影響基坑變形的關(guān)鍵因素之一[14],要以杭州地鐵湘湖車站坍塌事故為鑒[15-16]。目前,基坑第一道支撐均采用鋼筋混凝土支撐,不同支護(hù)形式、圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度對(duì)基坑受力變形的影響有待進(jìn)一步研究。

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Three-dimensional numerical simulation analysis of deep foundation pit supporting based on FLAC3D

CHENG Zehai, YU Zhenshuai
(School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China )

To study the influence of different supporting methods of foundation pits on the deformation and stability of a retaining structure, FLAC3D was adopted to conduct a numerical simulation on the stepwise excavation and support of a certain subway deep foundation pit, accompanied with comparison of two supporting schemes. The results show that the maximum horizontal displacement of the underground diaphragm wall appears at the top and the center along the length of the wall. Moreover, the displacement rate of the wall in the first-step excavation is the same as that of the second-step. It is also found that the inhibitory effect of lateral displacement of the underground diaphragm wall is relatively obvious when the wall is internally supported as adopted in one supporting scheme.

deep foundation pits; supporting structure; numerical simulation analysis; FLAC3D

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.01.007

2016-12-27

程澤海(1967— ),男,安徽省宣城人,教授,博士,主要從事基礎(chǔ)工程研究。E-mail:chengzh2008@163.com。

TU476.4

A

1671-8798(2017)01-0037-06