基于FLAC3D的深基坑變形規(guī)律研究

楊 坦，蔣亞龍，金 鵬，陳雅君

(1. 安徽新華學(xué)院 建筑結(jié)構(gòu)安徽省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088；2.安徽新華學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230088 3.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南232001)

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑基坑開(kāi)挖規(guī)模和深度不斷擴(kuò)大，其施工活動(dòng)面臨復(fù)雜地質(zhì)條件、臨近建筑荷載以及受限場(chǎng)地空間等因素的影響，施工安全問(wèn)題越來(lái)越突出，這一問(wèn)題引起了工程建設(shè)者的廣泛關(guān)注。然而，基坑工程因其獨(dú)特的工藝和組織特點(diǎn)，難以直接開(kāi)展開(kāi)挖實(shí)驗(yàn)?zāi)M。分析現(xiàn)有文獻(xiàn)，直接開(kāi)展基坑開(kāi)挖支護(hù)實(shí)驗(yàn)研究的論文數(shù)僅68篇，與此同時(shí)通過(guò)采用各類(lèi)數(shù)值模擬方法進(jìn)行深基坑開(kāi)挖支護(hù)活動(dòng)安全問(wèn)題研究的論文數(shù)量達(dá)1800余篇，可見(jiàn)數(shù)值模擬研究已經(jīng)成為基坑安全問(wèn)題研究的主流手段。唐咸遠(yuǎn)[1]采用ABSQUS有限元分析方法對(duì)鋼管樁、樹(shù)根樁兩種型樁復(fù)合土釘支護(hù)方案在深基坑支護(hù)的效果及基坑開(kāi)挖變形情況進(jìn)行了模擬，得到了基坑變形的一般規(guī)律；張玉琦[2]采用LSDYNA動(dòng)力有限元數(shù)值計(jì)算方法對(duì)武漢某高層建筑爆破活動(dòng)對(duì)臨近建筑的影響進(jìn)行分析，得到了爆破振動(dòng)作用下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性；陳小雨[3]以相鄰深基坑為工程背景，采用PLAXIS有限元分析軟件構(gòu)建了相鄰基坑數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)基坑安全距離的各影響因素開(kāi)展了規(guī)律研究；馬銀閣[4]采用MIDAS軟件分別構(gòu)建了深基坑和臨近管線數(shù)值模型，并分析了深基坑開(kāi)挖活動(dòng)對(duì)地下管線變形的影響規(guī)律，為深基坑開(kāi)挖方案的必選提供了理論依據(jù)。學(xué)者們對(duì)基坑開(kāi)挖支護(hù)數(shù)值模擬主要從支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、動(dòng)荷載影響、臨近基坑相互作用以及基坑開(kāi)挖對(duì)臨近建筑物和地下管線的危害等角度開(kāi)展研究，但對(duì)深基坑開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程的基坑應(yīng)力應(yīng)變情況，并未做深入討論。由于深基坑開(kāi)挖支護(hù)活動(dòng)中基坑土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，對(duì)基坑施工活動(dòng)安全的影響是一個(gè)持續(xù)過(guò)程，因此結(jié)合具體施工方案開(kāi)展基坑開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程數(shù)值模擬研究很有必要。本文針對(duì)某深基坑開(kāi)挖支護(hù)方案，采用FLAC3D有限元分析軟件進(jìn)行過(guò)程模擬，對(duì)指導(dǎo)深基坑開(kāi)挖支護(hù)方案設(shè)計(jì)及具體施工過(guò)程具有較大的實(shí)用價(jià)值。

1 工程概況

工程位于合肥市的玉蘭大道與望江西路交口，交通十分方便。所建工程總層數(shù)為28層，包括地上26層和地下室2層。所建的建筑物高度90 m，長(zhǎng)50 m，寬42 m，開(kāi)挖-12 m。采用的結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土剪力墻框架，基坑鄰近的建筑物較多，且地下管線密集，重要等級(jí)為二級(jí)。

1.1 地質(zhì)條件

擬建工程區(qū)域?qū)儆谌A北地層區(qū)魯西地層分區(qū)的長(zhǎng)豐小區(qū)(中新生代沉積區(qū))為巨厚的中、新生代陸源碎屑巖堆積區(qū)，地表為第四紀(jì)棕黃、褐黃色黏土、亞黏土所覆蓋。區(qū)域地層基本特征表明，區(qū)域巖漿活動(dòng)不強(qiáng)烈，僅晚白堊紀(jì)晚期表現(xiàn)為基性巖漿的火山噴溢活動(dòng)形成火山巖，并伴隨大量脈巖生成。區(qū)域處于新華夏系第二隆起帶和秦嶺緯向結(jié)構(gòu)帶、淮陽(yáng)山字形前弧東翼的復(fù)合部位。主要斷裂構(gòu)造為蜀山斷裂，產(chǎn)狀分布為東西走向，經(jīng)合肥市區(qū)南側(cè)、合肥-店埠公路背側(cè)，向東延伸長(zhǎng)度47km。斷裂晚侏羅世周公山組，北側(cè)為晚北堊世張橋組，大蜀山、小蜀山火山口受其控制，斷裂切割較深。

1.1.2區(qū)域氣象概況

擬建工程區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，氣候相對(duì)溫和，氣溫最高的溫度是41 ℃(2015)，最低-10.6℃(2008)，全年平均氣溫是15.7 度，平均降雨量900～1000 mm，夏季降水較集中，3～4月霪雨季節(jié)，晴天較少。

1.1.3水文條件概況

綜合合肥市地下水的賦存條件、水力性質(zhì)及地層巖性組合特征，將本區(qū)的地下水劃分為三種基本類(lèi)型，松散巖類(lèi)孔隙含水巖組、碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙含水巖組、巖漿巖裂隙含水巖組。其中工程擬建區(qū)域主要為巖漿巖裂隙含水巖組，水資源量極貧乏。地下水補(bǔ)給主要依靠大氣降水，受地下水位埋深(>10 m)影響，地下水補(bǔ)給困難，通常依靠地下徑流和水庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)給，夏季多雨期河流的補(bǔ)水作用也有所提高。

1.1.4巖土體工程地質(zhì)特征

根據(jù)區(qū)內(nèi)地層成因類(lèi)型、巖性結(jié)構(gòu)和巖土體工程地質(zhì)特征等，將調(diào)查區(qū)分為巖體和土體兩類(lèi)，巖體主要以堅(jiān)硬塊狀火山噴發(fā)巖巖組為主，由輝綠玢巖、玄武巖、安山巖組成，巖石呈塊狀結(jié)構(gòu)，密度、強(qiáng)度及彈性較高，孔隙率低，地基承載力良好。土體主要由上更新統(tǒng)下蜀組(Q3X)的粘土、粉質(zhì)粘土組成，又稱(chēng)老粘土，厚度一般在5～10 m，多由兩層以上的粘土、粉質(zhì)粘土、砂土及粉土組成。分布區(qū)域很廣，地貌形態(tài)呈現(xiàn)為波狀平原、平原。土體多呈堅(jiān)硬-硬塑狀，地基承載力特征值250～400kPa，工程地質(zhì)性質(zhì)良好，各層巖土體工程力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各層巖土體物理學(xué)參數(shù)

1.2 施工方案設(shè)計(jì)

擬建工程基坑長(zhǎng)50 m，寬42 m，高12 m，采用直壁開(kāi)挖加支護(hù)的方式進(jìn)行施工，施工過(guò)程中依據(jù)分層、分段、適時(shí)的原則，對(duì)開(kāi)挖方案進(jìn)行了分層開(kāi)挖設(shè)計(jì)，共分為三層，分層厚度分別為3 m、

也曾記得，1998年法國(guó)世界杯，我半宿爬起來(lái)看球賽，第二天累得頭暈眼花。岳父說(shuō)，看那個(gè)（球賽）有什么意思?。磕茼敵园?，還是能頂喝啊。我笑笑，覺(jué)得岳父不懂年輕人的心思?，F(xiàn)在，自己也活到了務(wù)實(shí)的年齡，為了一場(chǎng)球賽，不敢也不愿那么拼了。

4 m和5 m。具體開(kāi)挖方案見(jiàn)表2。

表2 某擬建工程深基坑工程施工工藝方案表

1.3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)先加入沉箱壁然后采用“排樁和錨桿”模式，排樁和錨桿支護(hù)如圖1所示。由于基坑周邊地勢(shì)起伏不大，支護(hù)樁采用統(tǒng)一參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即樁長(zhǎng)24 m，南北向樁間距2 m，樁數(shù)10根，東西向樁間距1 m，樁數(shù)12根。錨桿設(shè)計(jì)采用三種不同規(guī)格，主要參數(shù)如表3所示。樁間支護(hù)面層為鋼筋網(wǎng)混凝土，強(qiáng)度為C20，厚度50～80 mm，鋼筋網(wǎng)片網(wǎng)格尺寸為6.5@200×200雙向，面層采用噴射細(xì)石混凝土。

圖1 基坑支護(hù)系統(tǒng)示意圖

表3 錨桿的參數(shù)

2 基坑開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 FLAC3D有限元分析軟件在基坑工程開(kāi)挖支護(hù)模擬中的應(yīng)用

采用FLAC3D對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，并且按照工程施工的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)狀況和周邊環(huán)境影響進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)確定，結(jié)合相關(guān)基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)初步確定本方案。采用全局建模，整體先加入沉箱壁然后施加排樁和錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果的基坑支護(hù)前、后各方向位移的變化進(jìn)行詳細(xì)的分析，以此來(lái)判定支護(hù)方案的穩(wěn)定性。

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

由于基坑土層各向差異不大，且基坑開(kāi)挖活動(dòng)中，長(zhǎng)度方向所受到的影響約為基坑深度的3～4倍，寬度方向所受影響約為基坑開(kāi)挖深度的2～4倍[4]，結(jié)合數(shù)值模擬的實(shí)際需求，在建立分析模型時(shí)，只截取尺寸為50 m×42 m×28.5 m(長(zhǎng)×寬×深)的區(qū)域建立初始模型，其形狀和尺寸如圖2所示。土體模擬選擇摩爾庫(kù)倫模型，沉箱采用Beam單元[5]進(jìn)行模擬，排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)等效為厚度為1 m的連續(xù)擋墻，錨桿選擇Rock Bolt[6]單元模擬，同時(shí)在模型中沉箱與排樁及錨桿支護(hù)體的連接采用剛性節(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行連接，即假設(shè)節(jié)點(diǎn)處各向自由度為0[7]，不同類(lèi)型結(jié)構(gòu)單元可以實(shí)現(xiàn)各向自由度上的應(yīng)力傳遞。

根據(jù)各層巖土體物理學(xué)參數(shù)得出基坑初始應(yīng)力云及基坑最大不平衡力曲線如圖3所示。

圖2基坑數(shù)值模型

2.3 模擬數(shù)據(jù)分析

基坑開(kāi)挖支護(hù)數(shù)值分析過(guò)程依據(jù)1.2節(jié)制定的開(kāi)挖支護(hù)方案進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖4～8所示。

圖3 基坑初始應(yīng)力云圖及最大不平衡力曲線圖

圖4 第一次開(kāi)挖支護(hù)前、后z方向位移變化圖

圖5 第二次開(kāi)挖支護(hù)前、后z方向位移變化圖

圖6 第三次開(kāi)挖支護(hù)前、后z方向位移變化

圖7 第三次開(kāi)挖支護(hù)前、后x方向位移變化圖

3 模擬結(jié)果分析

由圖3可知基坑初始模型應(yīng)力情況符合模擬要求，最大不平衡力經(jīng)急速下降過(guò)程后呈緩慢下降直至平衡狀態(tài)，說(shuō)明依據(jù)工程特點(diǎn)所建立的基坑初始模型合理。

根據(jù)塑性圈理論基坑開(kāi)挖后，土體應(yīng)力重分布，導(dǎo)致塑性圈外側(cè)彈性區(qū)土體產(chǎn)生較大的位移，體現(xiàn)在基坑周邊土體沉降和坑底土體隆起現(xiàn)象，故在基坑開(kāi)挖前后重點(diǎn)對(duì)z方向位移進(jìn)行分析。

從第一次開(kāi)挖支護(hù)前、后z方向位移變化如圖4所示，可以得到支護(hù)前z方向出現(xiàn)的位移量為5.89 mm，支護(hù)后z方向出現(xiàn)的位移量為6.03 mm。這種現(xiàn)象很正常，是由于加支護(hù)后土體底部發(fā)生隆起現(xiàn)象。從第二次開(kāi)挖支護(hù)前、后z方向位移變化圖如圖5，支護(hù)前z方向出現(xiàn)位移量11.54 mm，支護(hù)后z方向出現(xiàn)位移量11.13 mm?？梢钥闯龌勇∑鸬奈灰屏吭黾?。從第三次開(kāi)挖支護(hù)前、后z方向位移變化圖如圖6，支護(hù)前z方向出現(xiàn)位移量12.23 mm，支護(hù)后z方向出現(xiàn)位移量12.15 mm?？梢钥闯龌勇∑鸬奈灰屏繙p小。根據(jù)基坑支護(hù)位移規(guī)范，一般的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移量以不大于20 mm為標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥闯鋈位勇∑鹪黾拥奈灰屏慷荚跇?biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)。

由于第一次開(kāi)挖和第二次開(kāi)挖的深度較小，土體自重荷載影響較小，引起x方向和y方向土體發(fā)生位移的變形量不大，所以只需對(duì)第三次開(kāi)挖支護(hù)x方向和y方向的位移的變化量進(jìn)行分析。從第三次開(kāi)挖支護(hù)前、后x方向位移變化圖如圖7，支護(hù)前x方向出現(xiàn)的位移量為12.46 mm，支護(hù)后x方向出現(xiàn)的位移量為12.13 mm。從第三次開(kāi)挖支護(hù)前、后y方向位移變化圖如圖8 ，支護(hù)前y方向出現(xiàn)的位移量為12.45 mm，支護(hù)后y方向出現(xiàn)的位移量為12.11 mm?？梢钥闯龅谌蝬方向和y方向的變形量不大，進(jìn)一步說(shuō)明基坑支護(hù)的穩(wěn)定，但仍需預(yù)防側(cè)向變形引起的地表沉降等問(wèn)題。

4 結(jié)論

(1)深基坑施工采用分層開(kāi)挖方案，分三層開(kāi)挖，分別開(kāi)挖至-3 m、-7 m和-12 m，支護(hù)采用排樁結(jié)合錨桿支護(hù)體系，每層開(kāi)挖后隨即完成支護(hù)工作，基坑開(kāi)挖支護(hù)方案合理。

(2)基坑開(kāi)挖支護(hù)至-3 m時(shí)，支護(hù)前后Z向變形分別為5.89 mm和6.03 mm，這一現(xiàn)象表明基坑底部隆起現(xiàn)象明顯；開(kāi)挖支護(hù)至-7 m時(shí)，支護(hù)前后Z向變形分別為11.54 mm和11.13 mm，坑底隆起速率得到控制；開(kāi)挖支護(hù)至-12 m時(shí)，支護(hù)前后Z向變形分別為12.23 mm和12.15 mm，坑底隆起速率繼續(xù)下降，變形量符合標(biāo)準(zhǔn)。

(3)基坑開(kāi)挖深度較小時(shí)，土體側(cè)向變形較小，可以忽略?；娱_(kāi)挖至-12 m時(shí)，土體側(cè)向變形量有所增加，支護(hù)前后X向變形分別為12.46 mm和12.13 mm，Y向變形分別為12.45 mm和12.11 mm，說(shuō)明深基坑側(cè)向變形量雖符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但仍需預(yù)防側(cè)向變形引起的地表沉降等問(wèn)題。