基于FLAC3D的深基坑开挖与支护数值模拟应用*

徐　凌， 陈格际， 刘　帅

(1. 辽宁科技大学 土木工程学院， 辽宁 鞍山 114051； 2. 辽宁省冶金地质勘查局403队第四工程处， 辽宁 鞍山 114021)



基于FLAC3D的深基坑开挖与支护数值模拟应用*

徐凌1， 陈格际1， 刘帅2

(1. 辽宁科技大学 土木工程学院， 辽宁 鞍山 114051； 2. 辽宁省冶金地质勘查局403队第四工程处， 辽宁 鞍山 114021)

针对内撑式排桩深基坑支护开挖过程中地表和围护结构变形的安全性问题，为基坑工程设计与计算提供参考依据，运用FLAC3D软件对营口市某深基坑工程采用内撑式排桩支护进行了开挖模拟，结合理正软件设计计算值和现场实际监测值进行对比分析.结果表明，FLAC3D数值模拟得到的地表和围护结构最大位移值分别为22、25 mm，而理正软件得到的最大位移值分别为22、20 mm，现场实际监测地表和围护结构最大位移值为26和30 mm，在深基坑工程开挖与支护过程中，FLAC3D不仅能够较好地模拟不同工况下的地表沉降和围护结构的水平位移，而且模拟围护结构水平位移效果更好.

深基坑； 内支撑； 排桩； 数值模拟； 理正软件； 监测值； 水平位移； 地表沉降

为了节约城市建设用地，合理调节土地使用结构，大批高层、超高层建筑如雨后春笋般拔地而起.随着建筑物的高度和跨度的增加，深基坑开挖支护工程的设计施工及安全问题日益突出.深基坑工程施工过程中，支护结构与土体相互作用，不断调整自身受力与变形，使基坑内外土体保持稳定或失稳状态，这是一个机理复杂的力学过程，对其进行相关的数值模拟和分析，无疑对于提高深基坑的设计理论、施工水平有着积极的意义[1].近年来越来越多的岩土工程课题采用软件数值模拟的方法进行分析，然而采用FLAC3D软件数值模拟和理正深基坑计算对比分析研究相对较少，这种方法可以真实地反映研究对象的内力与变形状态，从而及时地对可能发生的危险作出预测[2-3].

目前深基坑支护方式很多，其中内撑式排桩支护相对于其他支护方式具有显著优势.排桩支护采用机械或人工挖孔均可，施工方便成本相对较低廉，不需要使用大型机械，没有振动、噪声和挤压周围土体等危害.内支撑具有刚度大、变形小等优点，能有效控制挡墙或周围地面的变形，适用于基坑较深或周围环境要求较高的地区[4-6].本文以营口市某深基坑工程为例，用FLAC3D软件对其基坑采用内撑式排桩支护开挖状态进行模拟，从而得到围护结构、土体的水平位移与内力特征，然后通过理正软件计算对比分析，论证了数值模拟应用在基坑开挖中支护结构变形分析的可行性，为今后的基坑支护设计与施工过程提供指导.

1　工程概况

营口市某商场深基坑工程施工现场北侧为渤海大街，东侧为学府路，西侧为高层建筑，南侧为居民区，基坑长度为150 m，宽度为70 m，开挖深度为10 m，框架结构，筏板基础.基坑安全等级为一级，场地等级为二级，地基等级为二级，岩土工程勘察等级为乙级.

1.1场地工程地质条件

该工程场地在勘探深度内，地基土层依据其成因类型、沉积关系以及力学性质的差异进行分层，场区内土层自上而下可分为7层，按物理力学性状的差异又细分为亚层，各土层的工程地质特征如表1所示.

表1　土体特性指数

1.2场区水文地质条件

本场地在勘探过程中均见有地下水，稳定水位埋深1.00～1.60 m，平均水位埋深1.32 m.地下水类型为第四系孔隙潜水及承压水，主要含水层为粉砂层和细砂层，多数由大气降水补给，水位具有季节性变化，其变幅为0.5～1.0 m.对水样进行分析表明，地下水对混凝土具有微腐蚀，对钢筋混凝土结构中的钢筋在长期浸水时具有微腐蚀.

1.3支护设计方案

本工程基坑围护体系采用钻孔灌注桩+高压旋喷止水帷幕+内支撑体系.其中围护结构全部采用钻孔灌注桩，桩径1.0 m，桩间距1.3 m，桩间空隙采用双管高压旋喷桩止水，支撑结构为1.2 m×1.0 m桩顶冠梁和0.8 m×0.8 m、0.6 m×0.6 m现浇钢筋混凝土内支撑梁，立柱桩为直径1.0 m钻孔灌注桩.

2　FLAC3D模拟

2.1计算模型建立

由于基坑土层条件基本对称，故可取其1/2进行模拟分析.为了降低模拟边界条件对模拟过程的影响，模型在水平方向上从基坑边界向外扩展约4倍开挖深度，在竖直方向上取2倍开挖深度，由此可以确定基本模型的尺寸及形状如图1所示[7-8].内支撑用Beam单元模拟，围护结构用实体单元模拟，排桩支护结构等效化为厚度为1.0 m的连续墙.模型中不同结构类型的支护结构(包括内支撑、围檩和钻孔灌注桩)之间的连接通过共用节点的方法实现，限制6个方向的自由度，即认为不同类型的结构单元之间采用刚结，从而实现6个自由度上力的传递[9].

图1　模型单元

基本网格模型表示长度为120 m，宽度为160 m，高度为20 m的基坑场地及周围土体，其中从里到外四种颜色分别代表基坑、围护结构、近处土体、远处土体，一共包括13 464个单元体，总计15 750个节点.

2.2模拟方案

该模拟的开挖、支护模拟共分成5个步骤进行：1)基坑开挖至-2.0 m(工况1)；2)基坑开挖至-3.6 m，在-3.0 m处设置内支撑(工况2)；3)基坑开挖至-5.0 m(工况3)；4)基坑开挖至-7.0 m(工况4)；5)基坑开挖至-10.0 m(工况5)，具体布置如图2所示(单位：m).

图2　FLAC3D分析剖面

2.3模拟计算结果分析

针对上述计算模型和材料参数采用FLAC3D对基坑的开挖和支护进行了模拟，图3～6为模拟开挖后土体水平变形情况和地表沉降情况.

3　理正软件计算分析

针对本工程采用理正深基坑6.0设计软件进

图3　水平向位移云图

图4　围护结构水平位移

图5　竖向位移云图

图6　地表沉降曲线

行计算，计算中包括围护结构的受弯、受剪和地表沉降变化情况.考虑施工时的周边环境影响，在计算中需要施加地面超载作用在距基坑坑边1 m处.采用“增量法”计算结构内力，将各阶段构件所产生的内力与之前各阶段中产生的内力相叠加.图7～9是由理正6.0软件基于弹性法和经典法计算得到的不同工况下围护结构所承受的压力、弯矩、剪力及位移变形图[10-11](图中虚线表示弹性法，实线表示经典法).

图7　在3.6 m处加支撑时的围护结构变化

图8　开挖至7.0 m时的围护结构变化

图9　最后一次开挖完成后的围护结构变化

4　结果对比分析

4.1FLAC3D模拟、预测值与现场监测值对比

通过理正软件得到了三种不同计算方法的沉降曲线图，如图10所示，其中三角形法最大沉降量为14 mm，指数法最大沉降量为22 mm，抛物线法最大沉降量为11 mm.绘制FLAC3D、理正软件计算和实测沉降值数据曲线[14-17]对比如图11所示.

图10　三种算法沉降曲线

图11　沉降曲线对比

分析可以得知，FLAC3D数值模拟得到的沉降最大值为22 mm，和指数法得出的沉降值一样，比三角形法和抛物线法得出的沉降最大值稍大.最危险的位置分别出现在距离基坑30 m、20 m、1 m处，原因是由于FLAC3D建模过程的准确性以及相关参数设置比理正软件更加保守，另外，内支撑系统与围护结构共同作用产生的效果使得土体与围护结构之间的摩擦力增加，从而限制了距离基坑较近范围内的土体发生沉降.但FLAC3D数值模拟得到的沉降值和实际监测得出的沉降值变化趋势还是比较接近的，并且在实际工程中对于基坑支护设计要求一般都要偏于保守[18]，进而在一定程度上说明了FLAC3D模拟地面沉降结果更适用于实际工程，具有参考价值.

4.2围护结构水平位移对比

绘制FLAC3D、理正软件计算和实际监测的围护结构水平位移曲线对比图如图12所示.

图12　围护结构水平位移曲线对比

由图12可知，FLAC3D模拟得到的位移曲线、理正软件得到的曲线和实际现场监测曲线非常相近，施工完成后围护结构的FLAC3D位移模拟值为25 mm，而理正软件的预测值为20 mm，实际现场监测最大水平位移30 mm.理正软件计算过程中忽略了实际工程中各个工况对于土体和支护影响的联系，FLAC3D模拟过程中围护结构等效为地下连续墙体，在内支撑的作用下不会发生塑性变形，而实际施工过程中受周围环境不断变化的影响，水平位移偏大都在合理的安全变化值范围之内，鉴于考虑基坑支护设计的保守性，FLAC3D数值模拟对于实际工程有着一定的指导意义.

5　结　论

FLAC3D软件能够很好地对基坑分步开挖和支护进行模拟，非常符合实际的开挖过程.分析表明，FLAC3D模拟值略大于规范计算值，更加偏于保守，模拟得到的地表沉降量和围护结构水平位移与实际监测变化曲线基本相同.模拟围护结构水平位移变化曲线非常接近，如果建模技术更加完善，FLAC3D软件可以很好地预测基坑开挖过程，并且比理正设计软件更加全面、直观形象.

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(责任编辑：景勇英文审校：尹淑英)

Application of numerical simulation for excavation and supporting of deep foundation pit based on FLAC3D

XU Ling1, CHEN Ge-ji1, LIU Shuai2

(1. School of Civil Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China; 2. Fourth Engineering Department of 403 Team, Metallurgical Geology Exploration Bureau of Liaoning Province, Anshan 114021, China)

In order to solve the deformation security issues of ground surface and supporting structure during the supporting and excavation of internal brace row-pile deep foundation pit and provide the reference basis for the engineering design and calculation of foundation pit, the excavation simulation was conducted with software FLAC3Dfor a certain deep foundation pit with internal brace row-pile supporting in Yingkou. The comparison and analysis were performed in combination with the actual monitored value and the calculated value obtained with Lizheng software. The results show that the maximum displacement of ground surface and supporting structure obtained with FLAC3Dnumerical simulation and Lizheng software is 22, 25, 22 and 20 mm, respectively. The maximum displacement of ground surface and supporting structure obtained with the field monitoring is 26 and 30 mm, respectively. In the excavation and supporting processes of deep foundation pit, the software FLAC3Dcan not only well simulate the horizontal displacement of ground surface subsidence and supporting structure under different operating conditions, but also obtain better simulating effect for the horizontal displacement of supporting structure.

deep foundation pit; internal brace; row-pile; numerical simulation; Lizheng software; monitoring value; horizontal displacement; ground surface subsidence

2015-05-18.

国家科技支撑计划资助项目(2012BAJ11B02-11).

徐凌(1963-)，女，辽宁丹东人，教授，博士，主要从事混凝土结构设计理论、组合结构设计理论等方面的研究.

建筑工程

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.01.16

TU 470

A

1000-1646(2016)01-0091-06

*本文已于2015-09-15 00∶01在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20150915.0001.004.html