基于Python的FLAC3D基坑土釘受力統(tǒng)計分析

張浩 中設(shè)科欣設(shè)計集團(tuán)有限公司南京港航工程分公司

董勤學(xué) 南京智航工程技術(shù)咨詢有限公司

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，基坑工程建設(shè)數(shù)量越來越多?；庸こ虖?fù)雜，若支護(hù)體系失穩(wěn)及變形超出承受范圍，將導(dǎo)致基坑周邊建筑物及設(shè)施發(fā)生破壞，可能造成嚴(yán)重的后果。土釘具有施工機(jī)具靈活、工藝簡單、場地影響小、適用于狹窄空間等特點，已成為基坑中最常用的支護(hù)形式之一，基坑土釘受力分析對保障基坑安全穩(wěn)定具有重要的意義。

FLAC3D是一款基于連續(xù)介質(zhì)理論和顯式有限差分方法開發(fā)的軟件，廣泛應(yīng)用于巖土工程力學(xué)分析，其內(nèi)置多種結(jié)構(gòu)單元，非常適用于基坑及相關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬，在多個工程領(lǐng)域基坑中廣泛應(yīng)用。FLAC3D內(nèi)置fish語言，能夠?qū)崿F(xiàn)多種信息控制統(tǒng)計分析，但對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計則需要編寫大量的代碼，對于土釘?shù)纫痪S結(jié)構(gòu)Cable單元使用遍歷統(tǒng)計存在可能低估受力分布的問題。FLAC3D新嵌入的Python語言，進(jìn)一步拓展了相關(guān)統(tǒng)計分析能力，相關(guān)學(xué)者通過編寫Python程序，拓展了巖土工程相關(guān)問題的解決效率及思路。

本文針對fish語言對Cable結(jié)構(gòu)單元受力統(tǒng)計的缺點，利用Python語言實現(xiàn)每根Cable單元最大受力Element獲取，并對最大受力位置進(jìn)行云圖展示及統(tǒng)計分析，實現(xiàn)基坑土釘支護(hù)受力統(tǒng)計分析及合理評估，最后通過工程案例介紹該方法在碼頭基坑中的應(yīng)用。

2.FLAC3D Cable單元土釘模擬

通過在土體內(nèi)鉆孔安裝一定長度及分布密度的土釘，與土體共同作用以彌補(bǔ)土體強(qiáng)度的不足，達(dá)到延遲塑性變形的發(fā)生，提高基坑穩(wěn)定性的作用。同時，結(jié)合在基坑邊坡表面設(shè)置鋼筋網(wǎng)及噴混形成土釘墻技術(shù)。

FLAC3D內(nèi)置的Cable單元由幾何參數(shù)、材料參數(shù)和水泥砂漿特征來定義，其可以較好地模擬借助于水泥沿其長度提供抗剪能力的支護(hù)，因此，可以采用Cable單元來進(jìn)行土釘?shù)哪M。

FLAC3D Cable單元通過一維本構(gòu)模型描述，軸向剛度采用式（1）計算，圖1為Cable單元材料受力特性，可以指定材料抗拉、抗拉強(qiáng)度。在Cable單元達(dá)到極限軸向應(yīng)變時，將發(fā)生破壞。Cable單元還可以通過設(shè)置砂漿剪切強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、摩擦角、外圈周長等參數(shù)來模擬土釘與土體之間的粘性及摩擦作用。

圖1 Cable單元材料受力特性

式中，A 為截面面積；E為楊氏模量；L為單元長度。

3.FLAC3D Fish及Python土釘受力統(tǒng)計方法

基坑采用土釘支護(hù)示意如圖2所示，土釘采用Cable單元模擬，由于土釘長度、分析模擬網(wǎng)格尺寸的差異，每一根土釘分成了多個Element單元，每根土釘包含的Element的數(shù)量和長度通常不同，忽略該特點將影響土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力統(tǒng)計分析結(jié)果。

圖2 基坑土釘支護(hù)示意圖

利用fish語言進(jìn)行土釘受力統(tǒng)計時，一般采用loop foreach的方式，該種方式將對所有的Element進(jìn)行遍歷，對所有Element的受力進(jìn)行統(tǒng)計，該種方式存在如下的缺陷，1)受力統(tǒng)計中通常更關(guān)注每根土釘?shù)淖畲笫芰拔恢茫w統(tǒng)計無法區(qū)分最大受力；2）由于土釘被分成了多個Element，部分Element受力較小，整體統(tǒng)計時傾向于低估土釘?shù)恼w受力范圍；3）無法較好地對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。利于fish解決這些問題需要對模型及程序進(jìn)行復(fù)雜地操作及編寫，復(fù)雜結(jié)構(gòu)實現(xiàn)難度大。

應(yīng)用FLAC3D內(nèi)置的Python語言將能夠較好地發(fā)揮其對數(shù)據(jù)存儲、分析處理、可視化的優(yōu)勢，通過存儲每個E lement單元的起始位置，進(jìn)一步利用起始位置分析判斷哪些Element屬于同一根土釘，從而獲取每一根土釘?shù)淖畲笫芰lement并以此進(jìn)行統(tǒng)計分析及可視化展示。從而，彌補(bǔ)fish統(tǒng)計方法的缺點。

4.FLAC3D Python土釘受力統(tǒng)計在碼頭基坑應(yīng)用

本文采用FLAC3D建立了某碼頭基坑數(shù)值分析模型，基坑采用土釘墻支護(hù)方式，模型包含節(jié)點202878個，單元192500 個，模型除上表面自由外，底面采用固定約束，其余邊界均為法向約束。各土層采用莫爾庫倫本構(gòu)模型，土釘采用Ca ble單元，基坑坡面噴混采用Liner單元。

基坑開挖深度為10m、坡角為75°，從上至下采用9排直徑50mm土釘，前3排土釘長為5m，中間5排土釘長為8m，靠近坡角位置采用1排10m長土釘，土釘間排距1.5m。有無土釘墻支護(hù)作用下的基坑變形如圖3所示，無支護(hù)情況下基坑邊坡最大變形約為4cm，采用土釘墻加固后，變形減少至約2cm，可見土釘墻支護(hù)發(fā)揮了明顯的作用。

圖3 基坑土釘墻支護(hù)前后變形對比

基坑共計采用297根土釘，2145個Element單元，基坑開挖完成土釘受力如圖4（a）所示，可見最大受力約24.1MPa，位于基坑中部一排土釘，fish對所有土釘Element進(jìn)行遍歷統(tǒng)計獲得的土釘受力分布如圖4（b）所示，可見土釘受力主要集中在5MPa，約為620個Element。

利用Python程序獲得的每根土釘最大受力如圖5（a）所示，較好地展示了每根土釘?shù)淖畲笫芰ξ恢?，進(jìn)一步對297根土釘最大受力值進(jìn)行了統(tǒng)計如圖5（b）所示，可見土釘在15 MPa的數(shù)量較多，約為70根。

圖4及圖5的土釘受力統(tǒng)計對比可見，fish語言的統(tǒng)計方式低估了土釘?shù)闹饕芰Ψ秶?，可能影響對土釘受力的評估。Python語言的結(jié)果基于每一根土釘最大值，能夠更好地評估土釘受力分布。

圖4 基坑土釘支護(hù)受力及fish語言受力統(tǒng)計

圖5 Python基坑土釘支護(hù)最大受力展示及統(tǒng)計

5.結(jié)論

本文針對FLAC3D fish語言對于Cable單元受力統(tǒng)計的不足，利用FLAC3D內(nèi)置的Python語言，編寫了土釘最大受力統(tǒng)計分析程序，并結(jié)合工程實例，介紹了該方法在碼頭基坑中的應(yīng)用，更好地展示了土釘最大受力位置，避免了低估土釘主要受力分布范圍的問題，為FL AC3D在復(fù)雜碼頭基坑工程支護(hù)分析提供了新的思路。