基于FLAC3D的深基坑桩锚支护结构分析

闫纲丽，王 斌

(黄河水利职业技术学院，河南开封 475000)

基于FLAC3D的深基坑桩锚支护结构分析

闫纲丽，王 斌

(黄河水利职业技术学院，河南开封 475000)

运用FLAC3D和理正数值模拟软件对实际深基坑桩锚支护结构进行了数值分析与计算.主要分析了开挖过程中支护桩桩顶位移、深层水平位移及支护桩内力的变化，并将现场实测值与模拟软件的计算结果进行了对比分析.结果表明，FLAC3D数值模拟结果更符合实测值，可为基坑工程的设计和施工提供参考.

FLAC3D;深基坑;桩锚支护;数值计算

桩锚支护结构以其工程适应性强、成本低等优势在深基坑工程中得到广泛应用［1－3］，但受现有计算理论限制及基坑工程复杂性等因素影响，由设计或施工原因引发的工程事故在基坑事故中占有相当大的比例［4－5］.在研究深基坑支护体系受力和变形的方法中，数值模拟应用广泛，但一般数值模拟都从实用角度出发，以二维来处理.笔者采用FLAC3D［6］，根据实际开挖施工顺序，用三维模拟来反映桩锚支护结构的受力和变形，并将模拟结果与二维理正计算结果(弹性法和经典法)及实测值进行对比分析，从而验证三维模拟结果的有效性.

图1 基坑平面图(单位:mm)

1 工程概况

河南省某工程总建筑面积为59 969 m2，地下3层，地上35层，总高度为186 m.基坑深度约16 m，基坑尺寸约93 m×40 m，地下水位在地面以下21.8～24.0 m.基坑东侧较复杂且基坑较深，因此选择基坑东侧作为研究对象，其平面位置(图中黑色方块标识)如图1所示，支护结构剖面如图2所示.基坑支护锚索参数见表1，支护桩为钢筋混凝土灌注桩，直径 800 mm，桩长 23.1 m，间距 1.5 m，C30混凝土.

图2 桩锚支护结构剖面图(单位:mm)

表1 锚索及护坡桩参数取值

土体原有11层，根据岩土工程勘察报告，考虑到有些土层很薄，有些土层性质相近，将模型简化为6层，土体参数取加权平均值，有些参数通常按经验取值(工程勘察报告一般提供压缩模量，而在FLAC3D中体积模量和剪切模量的换算依据的是变形模量，所以需根据适当的经验系数进行两者之间的换算)，土的物理力学性质指标见表2.

表2 土的物理力学性质指标

2 FLAC3D数值模拟

2.1 模型建立

数值模拟中土体采用 Mohr-Coulombr模型［7］，预应力锚杆采用FLAC3D中内置的锚索结构单元，桩采用内置的桩结构单元.根据支护结构实际作用机理，考虑到边界效应会影响计算结果，因此，根据深基坑的实际特征、现场勘察的地质条件和支护结构实际情况，建立计算模型.模型为南北长52 m(Y轴)，东西宽3 m(X轴)，深度为35 m(Z轴)的六面体.实际开挖支护后的模型如图3所示.

图3 结构单元模型

建立三维基坑模型基于如下简化和假定.①充分考虑土层的非均质性.各土层的压缩模量、泊松比、天然容重、黏聚力、内摩擦角等参数采用勘察报告中提交并在实际支护设计中使用的参数.②对于静态问题，FLAC3D提供速度边界条件，把模型边界面上的速度设置为零，该面就不会随着计算时步而发生位移.笔者在分析静态问题时设置了相同的边界条件.③在模型的最底部限制3个方向的位移，左右两侧边界面限制Y方向的位移，前后两侧边界面限制X方向的位移，以此来模拟周边土(岩)体对模型的作用，实现其半无限体效果.

2.2 模拟步骤

整个数值模拟过程按照实际的施工工序进行，具体步骤如下.

1)对基坑开挖前的土体进行重力作用下的平衡计算，获得土体的初始应力状态.

2)根据模拟对象具体形态特征，首先在深1 m范围按1∶0.3的比例放坡，然后打入混凝土搅拌桩，接着依次进行第1步到第5步的开挖.

3)根据施工的实际情况，对基坑施工过程进行全真模拟.具体工序为工况1:开挖至－3.3 m处，在－3.0 m处打入第1道锚杆;工况2:开挖至－7.3 m处，在－7.0 m处打入第2道锚杆;工况3:开挖至－10.3 m处，在 －10.0 m 处打入第 3道锚杆;工况4:开挖至－13.3 m处，在－13.0 m处打入第4道锚杆;工况5:开挖至－16.1 m处.

4)显示计算结果，对计算结果进行分析并与实测结果作对比.

2.3 深基坑分步开挖支护过程模拟

此次模拟的重点是基坑桩锚支护结构的位移和内力.

2.3.1 支护桩顶水平位移

支护桩顶水平位移随不同工况开挖深度的变化曲线如图4所示.

图4 桩顶水平位移随开挖深度变化曲线

由图4可以看出，FLAC3D模拟数据与实测数据比较接近，略大于实测数据;二者表明随着基坑开挖深度的增加，桩顶水平位移呈增大的趋势;理正软件计算数据与实测数据相差较大.

2.3.2 支护桩深层水平位移

支护桩深层水平位移在不同工况下的数值计算结果如图5—9所示.

通过分析支护桩的位移结果(图4—9)，可得出如下结论.

1)5种工况的FLAC3D计算位移值与实测值比较接近，略大于实测值，两者分布形态比较吻合.而理正法计算值与实测值相比，其形态比较接近，但数值相差较大，这是因为FLAC3D数值模拟考虑了三维的效果，更接近于实际情况，而理正计算考虑的是二维效果.

2)在土方开挖初期，支护桩水平位移最大点都在桩顶，最小点在桩底，桩身沿深度方向基本呈线性变化;当基坑浅部、中部开挖后，及时打锚杆并有效锁定，控制支护桩的侧移，其桩身侧向位移在底部小，中上部大，说明锚杆对支护桩的侧向位移起到了减小的作用.

3)在基坑开挖初期，支护桩最大侧向位移在基坑开挖面附近，随着开挖的不断继续，位移最大值逐渐下移，三者位移变化趋势基本一致，说明FLAC3D三维模拟合理、可行.随着基坑开挖的继续，支护桩的侧向位移逐渐增加.

4)从支护桩侧向位移来看，从基坑开挖到结束，深基坑中上部的水平位移最大，随基坑上下侧逐渐减小，到基坑角部，位移值达到最小.

2.3.3 支护桩内力

基坑开挖完毕后，根据埋设的钢筋应力计现场测得的钢筋应力计算得到的桩身弯矩曲线与理正弹性法、理正经典法、FLAC3D数值计算得到的弯矩进行对比，结果如图10所示.

图10 计算弯矩与实测弯矩对比

由图10可以看出，4种方法计算出来的桩身弯矩曲线趋于一致，整体上桩身弯矩都呈“S”状.但从弯矩值来看，FLAC3D数值法的计算值和理正弹性法、理正经典法的计算值都比实测值大，但FLAC3D数值法计算的结果与实测结果相差较小，吻合较好，理正弹性法、经典法计算的结果与实测弯矩相差较大，且在桩身下半段表现得更为明显.

3 结语

通过对实际深基坑桩锚支护结构内力和变形的数值模拟，得到如下结论.

1)FLAC3D与现场实测和理正计算结果对比分析表明:数值模拟用于计算桩锚支护结构桩身位移、桩身弯矩，其结果与实测值基本吻合，比理正法更接近实测结果.

2)对深基坑桩锚支护结构的分析计算，采用FLAC3D数值模拟方法切实可行.

3)从施工的角度出发，FLAC3D数值模拟可以对深基坑桩锚支护结构施工过程进行模拟，在施工前预测其变化，提前掌握工程中的薄弱环节，从而做到重点监控，及时采取相应的对策.

［1］曹剑波.深基坑桩锚支护及工程应用研究［D］.武汉:中国地质大学，2010.

［2］曾友谊.深基坑桩锚支护结构安全性研究［D］.重庆:重庆大学，2007.

［3］吕三和，张敬志，赵民.深基坑桩锚支护体系变形实例分析［J］.探矿工程－岩土钻掘工程，2003(6):5－7.

［4］张海涛.深基坑支护设计与施工方案优化研究［D］.武汉:武汉大学，2004.

［5］李涯，申孝忠.深基坑开挖与支护过程中的若干问题［J］.华北水利水电学院学报，2005，26(3):57 －58.

［6］陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［7］陈希哲.土力学地基基础［M］.北京:清华大学出版社，1997.

Analysis of Pile-anchor Supporting Structure of Deep Foundation Pit Based on FLAC3D

YAN Gang-li，WANG Bin
(Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475000，China)

Two simulation softwares of FLAC3D and LIZHENG are applied to calculate and analyze the actual pile-anchor supporting structure of the deep foundation pit.This research mainly focus on the pile top displacement of supporting piles，the deep horizontal displacement and internal forces in the excavation process.Furthermore，field-measured values and the calculation results by simulation softwares are compared and analyzed.The results prove that the FLAC3D simulation value is more in line with the site measuring.This can provide a reference for the design and construction of the foundation pit project.

FLAC3D;deep foundation pit;pile-anchor supporting;numerical calculation

1002－5634(2012)03－0082－04

2012－04－11

闫纲丽(1980—)，女，河北张家口人，助教，硕士，主要从事土木工程结构及岩土工程方面的研究.

(责任编辑:乔翠平)