基坑開挖及板式支護(hù)條件下的FLAC2D數(shù)值分析

馮翠霞 （華建集團(tuán)股份有限公司申元巖土工程有限公司，上海 200040）

1 引言

近年來城市建設(shè)發(fā)展迅速，隨著建筑密度的增加，基坑工程設(shè)計與施工復(fù)雜性陡增。基坑工程呈現(xiàn)出挖深大、面積大、圍護(hù)設(shè)計復(fù)雜、周邊環(huán)境保護(hù)要求高等特點。基坑開挖引起的變形是上述多種因素的耦合作用，現(xiàn)有的計算理論很難考慮這種多因素的耦合作用[1]。

FLAC作為巖土力學(xué)有限差分計算程序，其內(nèi)置本構(gòu)模型及結(jié)構(gòu)單元適用于巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的分析和模擬。在基坑工程圍護(hù)設(shè)計中，可預(yù)先對工程進(jìn)行數(shù)值模擬，對基坑工程開挖引起的變形作出預(yù)測，并為支護(hù)體系選型提供相應(yīng)依據(jù)。

本文利用FLAC2D二維有限差分程序，針對上海某商住區(qū)項目的基坑開挖、支護(hù)工程進(jìn)行數(shù)值模擬，據(jù)此分析基坑開挖引起的變形，并對支護(hù)結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了初步的研究。

2 工程概況

上海市區(qū)某商住區(qū)項目，用地面積約2.8萬m2，設(shè)有住宅、臨街商業(yè)及幼兒園等公共建筑，主要功能包括6棟11～32層高層住宅樓，5棟1～2層商業(yè)建筑，1棟1～3層幼兒園及其它配套建筑。并設(shè)有2層地下室，主要功能包括地下商場、機動及非機動車庫、會所及設(shè)配機房等。

基坑總面積約2萬m2，周長約572m，挖深9.75m。

2.1 地質(zhì)概況

擬建場地90.20m深度范圍內(nèi)的地基土屬第四季全新世（Q4）、晚更新世（Q3）及中更新世（Q2）沉積物，主要由粘性土、粉性土和砂土組成。一般呈水平層理分布，按其沉積年代、成因類型及其物理力學(xué)性質(zhì)的差異，可劃分為8個主要層次。

地下水類型分淺部土層潛水和深部土層(第⑦層)承壓水。因本工程涉及深基坑，故淺部的潛水及第⑦層中的承壓水與本工程建設(shè)密切相關(guān)。

2.2 周邊環(huán)境

場地北、南、西側(cè)均與市政道路接壤，道路下埋置較多市政管線。其中，南側(cè)道路埋置的雨水管線距離本工程基坑最近，約8.9m。場地東側(cè)與住宅小區(qū)毗鄰。其中，某7層住宅樓距離基坑最近，約8.5m。該住宅樓為磚混結(jié)構(gòu)，地基采用Φ500粉噴樁進(jìn)行加固，樁體有效長度11.5m，復(fù)合地基承載力按125kPa設(shè)計；基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)，埋深約2.2m，均置于②層粉質(zhì)粘土層。

2.3 圍護(hù)設(shè)計概況

根據(jù)本工程挖深，基坑應(yīng)采用板式圍護(hù)+內(nèi)支撐形式。板式圍護(hù)常有SMW工法樁、鉆孔灌注樁，地下連續(xù)墻等類型。本工程地處市區(qū)，基坑周邊臨近市政管線或建筑物，環(huán)境要求較高，工法樁剛度稍弱，且在拔除型鋼過程中還存在二次變形；地下連續(xù)墻雖滿足工程自身剛度和環(huán)境保護(hù)的要求，但考慮本工程開挖深度不超過10m，其作為外圍擋土結(jié)構(gòu)性價比相對較低。綜上所述，基坑外圍選用鉆孔灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

場地土層性質(zhì) 表1

鉆孔灌注樁設(shè)計規(guī)格 表2

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面設(shè)計圖

鉆孔灌注樁因不具備止水效果，還需單獨設(shè)置止水帷幕?？紤]到周邊距離已有道路、管線及建筑物較近，止水帷幕擬采用全面搭接、止水效果可靠、擠土效應(yīng)小的Φ850三軸水泥土攪拌樁。

另外，根據(jù)挖深，支撐采用兩道水平混凝土支撐。

鉆孔灌注樁設(shè)計規(guī)格如表2所示。典型圍護(hù)設(shè)計剖面如圖1所示。

3 FLAC2D模擬

3.1 計算模型及參數(shù)

本基坑開挖面較大，基坑形狀不規(guī)則，計算時選取其中一段（如圖1所示）作為典型段用FLAC2D進(jìn)行數(shù)值模擬。深基坑開挖的影響范圍取決于基坑開挖的平面形狀、開挖深度和土質(zhì)條件等因素[2]。本次模擬擬建立了120m×50m（寬×深）的FLAC平面計算模型，計算網(wǎng)格共3500個單元，3636個節(jié)點。模型左右邊界采用法向約束，底邊采取固端約束。圍護(hù)樁由pile單元生成，水平混凝土支撐則由beam單元生成。計算模型如圖2所示。

土層物理力學(xué)參數(shù)及不同結(jié)構(gòu)單元力學(xué)參數(shù)如表3和表4所示。

3.2 本構(gòu)模型與計算參數(shù)

圖2 FLAC計算模型

FLAC內(nèi)含11個材料模型。其中，Mohr-Coulomb本構(gòu)模型為塑性模型，適合于土體這類彈塑性材料，能夠較實際地反映土體變形特性。本次模擬選取Mohr-Coulomb本構(gòu)模型對基坑進(jìn)行數(shù)值分析。

3.3 計算結(jié)果分析

通過計算可知，基坑地表最大沉降發(fā)生在坑邊位置，約5.4mm。距離坑邊越遠(yuǎn)，由基坑開挖引起的地表沉降影響越?。辉诰嚯x坑邊兩倍開挖深度處地表沉降接近為零。如圖4所示。

另外，基坑開挖到底時，圍護(hù)樁坑底以上部分樁身變形較大。圍護(hù)樁沿樁身水平向變形最大位置在地表往下3～4m處，即坑底以上樁身近1/3處的位置，且支撐架設(shè)處水平向變形較小。

土層物理力學(xué)參數(shù) 表3

不同結(jié)構(gòu)單元力學(xué)參數(shù) 表4

圖3 基坑開挖到底地表沉降示意圖

圖4 基坑開挖到底時圍護(hù)樁水平向變形

4 結(jié)語

①利用FLAC2D模擬基坑板式支護(hù)體系及開挖過程是合理可行的。通過數(shù)值分析，可知基坑開挖引起的地表沉降大約是基坑開挖深度的兩倍范圍內(nèi)?？拥滓陨蠂o(hù)樁樁身受基坑開挖變形影響較大，最大變形主要集中在樁身上半段1/3處，在開挖施工階段應(yīng)加強監(jiān)測，進(jìn)行信息化施工，避免圍護(hù)發(fā)生明顯位移而失穩(wěn)。

②本次利用FLAC2D數(shù)值模擬基坑開挖引起的變形相較實際工況，總體偏小。這和數(shù)值模擬中未考慮基坑降水有關(guān)。

③FLAC可模擬基坑降水過程。其滲流計算既可以獨立于通常的FLAC力學(xué)計算，也可以與力學(xué)計算并行，及耦合計算[3]，為分析基坑開挖前后的地下水滲流場引起的土體、支護(hù)體系及周邊建（構(gòu)）筑物變形提供了便利。下一階段將進(jìn)一步考慮上述滲流場的FLAC數(shù)值模擬。

④上海地區(qū)基坑圍護(hù)設(shè)計有限元計算常用PLAXIS通用有限元分析軟件。相較FLAC有限差分程序，該軟件更易操作。且內(nèi)部包含HS硬化模型，模擬基坑開挖卸載過程更為貼切。

FLAC有限差分程序為專用土工工程軟件，具有豐富的模型和強大的后期處理功能，計算速度較快，且提供二次開發(fā)平臺，可編制滿足工程巖土體特性的計算模型，滿足模擬復(fù)雜基坑開挖的要求；不僅適合模擬簡單基坑開挖過程，更適合用于基坑開挖受力及變形特性的深入研究。