基于 FLAC3D 的深基坑樁錨支護(hù)數(shù)值模擬分析

陳 莘，時(shí)賢龍

（南京市市政工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 南京 210036）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，高層建筑、城市地下交通以及大型地下市政設(shè)施的興建使得基坑工程深度、寬度和體積在不斷變大［1］，因此對(duì)基坑工程的支護(hù)體系不斷提出更高的要求，不僅要確保坑壁自身的穩(wěn)定性，還需要確保相鄰建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的安全穩(wěn)定［2］。

本文對(duì)深基坑的樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，針對(duì)具體工程，采用FLAC3D軟件對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬分析，分析基坑的最大不平衡力、水平位移以及錨桿軸力的變化規(guī)律，進(jìn)而對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為類似工程中支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

該工程為南京某地下空間及其配套附屬設(shè)施，位于南京市秦淮區(qū)，擬建場(chǎng)地基本平坦，東西約 60 m、南北約 90 m。建筑總用地面積 7 478.57 m2，總建筑面積 47 846.54 m2，其中地上建筑面積 25 385.26 m2，地下建筑面積 22 461.28 m2。地下建筑 5 層，地上建筑 12層?；A(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，埋深 ±0.00 以下 30.10 m（局部埋深 31.70 m），基礎(chǔ)筏板應(yīng)力約為 350 kN/m2。設(shè)計(jì)室內(nèi) ±0.00 標(biāo)高為 47.20 m，室內(nèi)外高差為 0.30～0.60 m。施工場(chǎng)地地質(zhì)條件如表 1 所示。

1.2 基坑支護(hù)方案

施工場(chǎng)地開挖深度 29.10 m，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境、道路及水文地質(zhì)條件，確?？颖诜€(wěn)定、施工安全［3］，經(jīng)過(guò)分析、比較，工程的支護(hù)方案劃分為 7 個(gè)剖面支護(hù)。具體基坑支護(hù)平面布置如圖 1 所示。

圖1 基坑支護(hù)平面布置圖

各剖面支護(hù)方案為：標(biāo)高 43.50 m 以下用鋼筋混凝土灌注樁+錨桿支護(hù)，灌注樁樁長(zhǎng) 33.80 m，樁底標(biāo)高 8.90 m，嵌固深度 8.0 m，樁徑 1 200 mm，間距1 600 mm；灌注樁頂設(shè)一道鋼筋混凝土冠梁，冠梁截面尺寸 1 400 mm×900 mm，冠梁頂標(biāo)高 43.50 m；樁頂冠梁以上采用 370 mm 厚磚砌擋土墻，墻內(nèi)設(shè)構(gòu)造柱，構(gòu)造柱截面 370 mm×250 mm，墻頂設(shè)置壓頂梁，壓頂梁尺寸 370 mm×300 mm；自樁頂冠梁以下，共設(shè)置 6 道或 7 道預(yù)應(yīng)力錨桿，第一道錨桿鎖在冠梁上，其余錨桿均鎖在鋼腰梁，如剖面 A-B 的錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)如表 2 所示。

表1 各層土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表2 A-B 剖面錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 模型建立

簡(jiǎn)單快捷經(jīng)濟(jì)的數(shù)值模擬常被應(yīng)用于基坑開挖和支護(hù)工程［4］。本文運(yùn)用 FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，選用 Morh-Coulomb 本構(gòu)模型，依據(jù)地勘資料計(jì)算并確定土層參數(shù)，確定模型的邊界條件以及初始應(yīng)力條件。為了除去邊界效應(yīng)的影響，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)［5］，工程模型計(jì)算范圍選取基坑底部以下 2 倍的開挖深度，影響的寬度取開挖深度的 2 到 3 倍。據(jù)此，模型在 X 方向取 80 m，在 Y 方向上取 1.6 m，Z 方向上取 50 m，共劃分16 000 個(gè)單元網(wǎng)格，分析模型和開挖土體示意圖如圖 2 所示，圖中開挖部分不同顏色從上到下為第 1 步開挖至第 7 步開挖。

圖2 分析模型和開挖土體示意圖

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬中錨索用 Cable 單元模擬，支護(hù)樁用 Pile 單元模擬。本模擬過(guò)程采用的七道錨桿加護(hù)坡樁支護(hù)，如圖 3 所示。因?yàn)樵缭诨娱_挖之前就進(jìn)行了有效的井點(diǎn)降水施工，所以此次數(shù)值模擬過(guò)程就沒(méi)有考慮地下水對(duì)模擬過(guò)程的影響。

2.2 最大不平衡力分析

基坑結(jié)構(gòu)中最大不平衡力模擬結(jié)果如圖 4 所示。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 基坑結(jié)構(gòu)最大不平衡力趨勢(shì)

從圖 4 中可以看到，基坑開挖施工中每一次開挖都會(huì)伴隨著最大不平衡力跳躍情況的發(fā)生，經(jīng)過(guò)對(duì)深基坑進(jìn)行樁錨支護(hù)之后，最大不平衡力又會(huì)逐步恢復(fù)到平衡的狀態(tài)。本工程中第六步開挖過(guò)程中的最大不平衡力達(dá)到最大值，這時(shí)基坑的狀態(tài)應(yīng)該是處在一個(gè)相當(dāng)不穩(wěn)定的狀態(tài)下，通過(guò)仔細(xì)分析這個(gè)狀態(tài)下監(jiān)測(cè)信息及資料，用得出的分析結(jié)果來(lái)指導(dǎo)施工過(guò)程，從而保證基坑的穩(wěn)定性以及施工的安全性。

2.3 基坑壁水平位移分析

本工程分七步開挖，第一步和第七步的基坑壁水平位移云圖如圖 5 所示，七步開挖基坑壁水平位移變化曲線如圖 6 所示。

圖5 基坑第一和第七步開挖的水平位移云圖

圖6 七步開挖基坑壁水平位移變化曲線

由圖 5 和圖 6 可以看出，在樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下，深基坑壁的水平位移沿深度的增大先是逐漸地變大，隨后又逐漸變小。將模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，第一步開挖在支護(hù)作用下基本沒(méi)有發(fā)生水平位移，第二步開挖基坑側(cè)壁的水平位移最大值是1.24 mm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為 1.33 mm；第三步開挖水平位移最大值是 2.00 mm，實(shí)際為 2.08 mm；第四步開挖水平位移最大值為 3.23 mm，實(shí)際為 3.18 mm；第五步開挖水平位移最大值是 9.00 mm，實(shí)際為 8.93 mm；第六步開挖水平位移最大值是 14.97 mm，實(shí)際為 15.06 mm；第七步開挖水平位移最大值是 32.55 mm，實(shí)際為 32.46 mm，模擬的數(shù)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值接近，說(shuō)明了模擬過(guò)程的正確性。

根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果可知，基坑壁的水平最大位移的位置，并不是在基坑的頂部，隨著基坑的開挖，位移的最大值的位置在不斷向基坑的中下部移動(dòng)。最大位移的位置隨基坑深度加深而增大，所以在現(xiàn)場(chǎng)每一步開挖完成后需要及時(shí)進(jìn)行錨桿施工，來(lái)控制位移的發(fā)生。

2.4 錨桿軸力分析

第二道和第七道錨索軸力變化模擬曲線如圖 7 所示。

從圖 7 可以看出，同一錨索的軸力的分布并不是很均勻，軸力最大值出現(xiàn)在自由段，但是隨著錨固段的延伸，桿軸力會(huì)逐漸地減小并且趨近于零，這與實(shí)際監(jiān)測(cè)的軸力也接近。從該模擬結(jié)果可知，在預(yù)應(yīng)力錨桿充分發(fā)揮承載能力的過(guò)程中，錨固段在比較淺層的土體中承載能力將會(huì)得到有效的發(fā)揮，而錨固段深層土體的承載能力的發(fā)揮將會(huì)隨著基坑深度的增大而逐步減小。

圖7 錨索軸力變化曲線

3 結(jié)論

本文通過(guò) FLAC3D軟件對(duì)實(shí)際工程的深基坑樁錨支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模型分析，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比基本吻合，說(shuō)明該軟件模擬的合理性。本文中通過(guò)模擬分析可知：基坑壁的水平最大位移的位置隨著基坑的開挖不斷的向基坑的中下部移動(dòng)；同一錨索的軸力的分布并不是很均勻，軸力最大值出現(xiàn)在自由段。通過(guò)模擬分析結(jié)果可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，為實(shí)際施工過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全控制提供有效的實(shí)用價(jià)值。