基于FLAC3D深基坑變形規(guī)律研究

裴 迅

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，鄭州451100）

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)40年代，Terzaghi[1]和Peck[2]等人通過大量的工程分析和研究，提出了預(yù)估挖方的穩(wěn)定程度和支撐受荷大小的總應(yīng)力法，并在以后的工程應(yīng)用和分析研究中做了許多改進(jìn)與修正；20世紀(jì)50年代，Bjeruum和Eide通過對基坑開挖過程中底板隆起量的分析和研究，總結(jié)出了確定基底隆起的方法[3]。

我國的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計出現(xiàn)的時間相對較晚。20世紀(jì)70年代，基坑工程逐漸出現(xiàn)在人們的視野，其特點是開挖深度較淺且沒有相鄰建筑物；20世紀(jì)80年代以來，由于北京、上海、深圳等大型城市快速發(fā)展及人口的迅速增加，高層及超高層建筑拔地而起，這些建筑的基礎(chǔ)施工，成為基坑工程的主要內(nèi)容；20世紀(jì)90年代以后，舊城改造成為我國大部分城市的主題，然而此時的深基坑施工則是在建筑物密集的市區(qū)內(nèi)進(jìn)行，給這一古老基坑支護(hù)課題注入了新的血液，即如何確?；娱_挖過程中周圍建筑的安全。但是，由于基坑工程是一項系統(tǒng)工程，影響因素眾多、設(shè)計與施工脫節(jié)，工程中發(fā)生安全事故的概率仍然很高[4-5]。

2 深基坑變形機(jī)理

深基坑施工過程中，隨著土體的開挖，基坑底部由于荷載消除，土壓力促使土體產(chǎn)生向上為主的位移，同時圍護(hù)結(jié)構(gòu)隨著開挖深度的增加，兩側(cè)受力不平衡產(chǎn)生向基坑內(nèi)為主的位移，基坑周圍地層也隨之產(chǎn)生移動?；右蜃冃味憩F(xiàn)出來的三種位移主要有：基坑底部隆起、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和坑外地表的沉降。三種變形的產(chǎn)生都是由于基坑土體的卸荷而產(chǎn)生的，因此三種變形是相互聯(lián)系的。

3 工程簡介

3.1 工程概況

城際鐵路因具有占地少、速度快和運(yùn)量大的特點得到各大城市的喜愛。鄭機(jī)城際鐵路將承擔(dān)新鄭機(jī)場至鄭州、開封、許昌等城市的客流，對縮短人們的出行時間、實現(xiàn)鄭州地區(qū)與周邊城市“半小時”經(jīng)濟(jì)圈創(chuàng)造有利條件，同時對提升中原城市群綜合競爭力起著關(guān)鍵性的作用。本期施工為鄭機(jī)城際鐵路地下段第Ⅳ標(biāo)段，總長為5 216.1m，設(shè)計起止里程為DK38+883.90～DK44+100。由于區(qū)間段結(jié)構(gòu)斷面過大，擬采用明挖順作法進(jìn)行施工，線路走向具體詳見圖1所示。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)方案

擬建深基坑選用的支護(hù)方案為：先對第一層按照1:1.25的比例土進(jìn)行放坡開挖，再施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)?；觾?nèi)采用三層鋼支撐體系：第一層位于冠梁處，選用直徑609mm，厚度t=12mm鋼管支撐，水平間距為3m；第二層位于冠梁下6m處，選用直徑609mm，厚度t=16mm鋼管支撐，水平間距為3 m；第三層位于冠梁下11m處，選用直徑609mm，厚度t=16mm鋼管支撐，水平間距為3m。其中，第一層鋼支撐軸力設(shè)計值為784 kN，第二層鋼支撐軸力設(shè)計值為2 754 kN，第三層鋼支撐軸力設(shè)計值為3 164 kN。各道鋼支撐按設(shè)計的30%～50%施加，并根據(jù)施工現(xiàn)場圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力監(jiān)測情況調(diào)整實施。深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖1 線路走向圖

圖2 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面示意圖

4 基坑開挖數(shù)值模擬

4.1 整體模型的建立

深基坑工程變形規(guī)律和受力特性不僅與基坑平面形狀和開挖深度有關(guān)，而且與土方開挖順序、鋼支撐安裝是否及時等施工工序也密切相關(guān)。筆者主要模擬城際鐵路深基坑支護(hù)開挖，綜合考慮基坑周邊環(huán)境及土質(zhì)條件，基坑開挖方式為：首先對基坑進(jìn)行放坡開挖，開挖深度6m；然后對基坑進(jìn)行支護(hù)開挖，開挖最大深度為16m。根據(jù)明挖隧道深基坑狹長的工程特點，同時考慮基坑變形對周邊環(huán)境的影響范圍及求解精度，選取60m×40 m×15m（寬×深×長）的區(qū)域建立FLAC計算模型，模型產(chǎn)生36 000個單元，40 016個節(jié)點?；诱w模型如圖3所示。

圖3 深基坑模型及單元劃分

4.2 計算工況

基坑支護(hù)模型可以在任意時刻添加，避免支撐因重力場而提前發(fā)生變形，要盡可能與實際施工工序相一致?；又ёo(hù)開挖數(shù)值模擬的具體實施步驟如下：

①綜合考慮工程尺寸及開挖影響范圍建立三維模型，并進(jìn)行土體平衡運(yùn)算形成初始地應(yīng)力場；

②對第①步平衡計算所產(chǎn)生的位移歸零，并保留初始地應(yīng)力；

③通過modelnull命令對基坑進(jìn)行放坡開挖，并對基坑受力進(jìn)行平衡計算，得到基坑放坡開挖后的應(yīng)力場和位移場，設(shè)置錨桿對邊坡進(jìn)行支護(hù)；

④基坑進(jìn)行第一層土體開挖，經(jīng)受力平衡計算得到開挖后的應(yīng)力場和位移場，并設(shè)置第一層鋼支撐；

⑤重復(fù)步驟④，直至基坑開挖完成并進(jìn)行平衡計算，得到基坑開挖后的應(yīng)力場和位移場。

深基坑施工工況：

工況一：按照1:1.25坡度進(jìn)行放坡開挖，開挖深度6m；

工況二：鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；

工況三：第一層土體開挖，深度為2m；

工況四：在冠梁下0.5m處施作第一層鋼支撐，第二層土體開挖，深度為9m；

工況五：在冠梁下6m處施作第二層鋼支撐，第三層土體開挖，深度為14m；

工況六：在冠梁下11m處施作第三層鋼支撐，第四層土體開挖至基坑底部，深度為16m。

4.3 數(shù)值模擬分析

4.3.1 基坑水平位移分析

結(jié)合基坑工程實際施工工況，運(yùn)用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D，模擬基坑支護(hù)開挖全過程，研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變形規(guī)律。基坑支護(hù)開挖過程中，由于開挖面應(yīng)力釋放而導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)受力不平衡，在基坑外側(cè)土體主動土壓力和基坑內(nèi)土體被動土壓力的共同作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移。圖4為FLAC模擬下的基坑水平位移云圖。

從圖中可以看出，在基坑開挖到3m處時，對圍護(hù)樁水平位移影響較小，隨著開挖深度的增加和鋼支撐的架設(shè)，圍護(hù)樁水平位移逐漸增大，且樁體變形曲線由懸臂式轉(zhuǎn)變成“弓”字形曲線。基坑開挖施工過程中，圍護(hù)樁最大水平位移為16mm，且控制在樁體水平位移最大允許值50mm內(nèi)。

4.3.2 基坑豎向位移分析

圖5為基坑豎向位移發(fā)展趨勢：基坑開挖初期，地表沉降明顯增加，且距離圍護(hù)樁體越近地表沉降越大。隨著開挖深度的增加，基坑底部位移由最初的沉降轉(zhuǎn)變成坑底土體向上隆起，與實際工程中因土體開挖卸荷導(dǎo)致坑底土體隆起相一致。在基坑開挖過程中，由于鋼支撐對圍護(hù)樁的限制作用，坑底隆起雖然繼續(xù)增大，但變化率趨于穩(wěn)定。

圖4 工況六水平位移（單位：m）

圖5 工況六豎向位移（單位：m）

5 結(jié)論

筆者以鄭機(jī)城際鐵路隧道深基坑為工程背景，采用數(shù)值模擬的方法，研究了深基坑工程中鉆孔灌注樁+鋼支撐支護(hù)體系的受力特征及變形規(guī)律，研究了影響支護(hù)體系穩(wěn)定性的主要因素。主要內(nèi)容和結(jié)論如下：

1）采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對基坑施工過程進(jìn)行了模擬及變形監(jiān)控，模擬計算結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致。表明模型的建立、本構(gòu)關(guān)系的選擇及參數(shù)的選取是合理的，且能夠體現(xiàn)基坑變形的一般規(guī)律。

2）樁體水平位移的模擬結(jié)果表明，圍護(hù)樁最大水平位移發(fā)生在基坑開挖深度2∕3左右的位置。

3）采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對基坑施工過程進(jìn)行了模擬及變形監(jiān)控。通過對兩組數(shù)據(jù)變形規(guī)律的研究，暴露出施工過程中支護(hù)不及時、開挖面無支撐暴露時間長、鋼支撐影響土方開挖、施工周期長等問題，F(xiàn)LAC3D模擬過程中未考慮現(xiàn)場施工因素對支護(hù)體系的影響。

4）深基坑支護(hù)體系作為一種臨時的支擋結(jié)構(gòu)，要統(tǒng)籌兼顧工程安全和經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)系。因此，通過數(shù)值模擬手段正確分析基坑的變形規(guī)律和受力特征，對基坑工程的設(shè)計和施工有著重要的意義。