探讨FLAC3D在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用

申强利 田明磊 陈俊

河南省地矿局第二地质环境调查院（450003）

探讨FLAC3D在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用

申强利1田明磊2陈俊3

河南省地矿局第二地质环境调查院（450003）

首先介绍某商品写字楼的深基坑开挖工程，进而利用FLAC3D的计算模型来对该工程进行数值模拟，结合模拟方案对结果数据进行分析。

FLAC3D；深基坑；开挖与支护；数值模拟

随着社会的不断进步，高层建筑的需求也日益增加。深基坑开挖与支护的施工质量也引起了较多学者的关注，通过对深基坑进行相关的数据模拟和分析，可以更好地控制工程的设计以及工程质量。

1 工程案例

1.1 工程概况

某工程为32层的商品写字楼建筑,地上30层,地下2层，建筑高度达108.0m，建筑物长37.0m，宽31.5m，总建筑面积为20 477.0m2。基坑开挖12m（从地面算起，±0.00设计标高为1085.50m）。该基坑周围建筑物较密集，地下管道复杂，评定为二级重要性等级。

1.2 地质条件

根据地质勘测结果，该场区的地层结构无较大的不良地质现象，具体如下:

1）场区地层分布

①填土:场区内分布不均匀，厚度达0.00～3.00m，主要构成物质为砖瓦、碎石、煤渣、杂色黏土等，层次性不强，结构较为疏散，具有较高的强度和压缩性。

②红黏土:场区内分布较为广泛,厚度3.00～6.50m。土层呈褐黄色，上软下硬，具有较低的强度和较高的压缩性。

③基岩:地层产状220°∠18°～22°，岩层呈深灰色或紫红色，是三叠系松子坎组地层。

2）地下水

①上层滞水:一般存在于杂填土层的孔隙中,水量较小，且排泄方便，对深基坑影响较小。

②基岩裂隙水:地下静水水位深度14.2～16.8m，本次深基坑开挖深度为12.0m，因此地下水的影响可忽略不计。

2 数值模拟分析

2.1 土体模拟

深基坑土层结构的复杂性决定了其力学特性的多样性,由于土体容易产生不可恢复的弹性变形，因此,可运用摩尔-库伦的弹塑性模型对其进行计算分析[1]。

1）屈服准则

摩尔-库伦屈服准则为:

其中，c表示黏聚力，Ф表示摩擦角。

2）流动准则

在屈服之后，土体主要由弹性和塑性两个特性构成，这两个变量的增加共同决定了土体的应力变化[2]:

在FLAC3D中，剪塑性流动以及拉塑性流动分别具有不同的定义，且对应不同的流动法则。

剪塑性流动对应非关联流动法则，其势函数为:

其中φ为剪胀角。

拉塑性流动对应相关联流动法则，其势函数为:

2.2 支护结构模拟

采用FLAC3D中的锚索结构对土钉进行设计，采用FLAC3D中的壳结构对混凝土面进行设计。具体参数如表1、表2。

表1 土钉的材料特性

表2 混凝土面层参数

2.3 模拟方案

该工程开挖深度为12.0m，长37.0m，宽31.5m。整体的开挖及支护分为4个步骤完成:开挖3m的深度,将第一层钢支撑设置在2m深的位置;继续开挖至6m,将第二层钢支撑设置在5m深的位置；继续开挖至9m,将第三层钢支撑设置在8m位置；继续开挖至12m，将第四层钢支撑设置在10m位置。

2.4 结果分析

按照开挖及支护的步骤，利用FLAC3D进行了模拟计算分析，分别表现为地表沉降情况、水平位移情况以及基底隆起情况。

1）地表沉降情况

随着开挖深度的不断加深，地表的沉降值不断增大，沉降值在0.0～38.0mm之间波动，最大沉降值38.0mm出现在基坑开挖的第四步。

2）水平位移情况

基坑深度的不断加大会造成土体水平位移的增大，水平位移值在0.0～30mm，水平位移的最大值总是出现在每一开挖步骤完成后，主要是因为土体的开挖促使墙体前后的水土压力平衡遭到破坏，每当一段开挖步骤完成，墙体会出现一定程度的水平变形来达到新的平衡状态。

3）基底隆起情况

在开挖深度不断增加的情况下，基底隆起的位移也不断加大,位移值在0.0～40.0mm之间波动，最大位移值40.0mm出现在基地中部。

3 结语

以某商品写字楼的深基坑开挖工程为例,对其进行了FLAC3D数值模拟分析，结果表明在深基坑开挖的过程中会产生不同程度的沉降及水平位移，只有加强对基坑开挖过程中变形的控制，才能保证工程的质量。可见，FLAC3D数值模拟分析可以对深基坑的稳定性进行分析，有利于工程的设计以及施工过程的控制。

[1]郭海燕,李胜林,张云,等.深基坑开挖与支护的有限元模拟[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2009,39(1):165～168.

[2]柳玉吾,褚卫瑞.深基坑开挖及支护数值模拟基本过程研究[J].科技创新导报,2012,08(12):5～6.