基于FLAC-3D数值模拟分析逆作法的深基坑变形

杨益飞, 关 群, 孙若晗, 高 菊, 张 力

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

基于FLAC-3D数值模拟分析逆作法的深基坑变形

杨益飞, 关 群, 孙若晗, 高 菊, 张 力

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

文章利用ANSYS软件建立三维模型,导入FLAC-3D中对某逆作法的深基坑开挖变形过程进行数值模拟与计算。结果表明:深基坑的地下连续墙变形呈S形,最大水平变形位于开挖面以上1/2～1/3深度处;周边土体沉降呈倒弓形,距基坑6～8 m处沉降最大;坑底回弹随土体开挖逐渐增大;桩顶垂直位移随开挖大致呈先向下稍移再上抬的趋势。研究结果可为类似深基坑工程提供参考。

逆作法;深基坑;变形;数值模拟

近年来,逆作法在基坑、隧道、地铁等工程中得到了快速的发展。深基坑多采用逆作法施工,采用刚度较强的梁、板、柱作为支撑系统,地下连续墙作为围护结构,形成一个整体[1]。深基坑逆作法开挖过程中必须考虑基坑变形对周边环境的影响、自身的稳定性等,然而土体的性质、含水量的变化、降水步骤、开挖步骤等都会对开挖变形、稳定性造成不同的影响,因此,有必要通过有效的数值模拟与计算,研究实际开挖过程中基坑变形、沉降等变化规律,为实际工程提供预测数据和合理化建议。

本文以一深基坑逆作法工程为例,通过ANSYS软件建立基坑三维模型,导入FLAC-3D中进行计算模拟,研究地下连续墙变形、周边土体沉降以及土体回弹等变化规律,从而为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 概况

该工程位于某地传统商业中心区域,其中主楼地上45层、附楼16层、裙房9层,地下5层,基坑平面近似为118.8 m×82.8 m的矩形,总面积为4.26×104m2,深度约22 m,围护结构采用地下连续墙(简称“地连墙”),厚度为1 m,地下各层楼板作为水平支撑。基坑开挖采用“周边逆作、中间主楼顺作”的逆作法施工技术,主楼为人工挖孔桩基础,附楼及裙房为钻孔灌注桩基础,支撑柱采用钢管混凝土柱(外包成框架柱)或钢管柱。基坑平面图及周边环境分布如图1所示。

图1 基坑平面图及周边环境分布

场地属于第四纪地貌形态,为南淝河一级阶地地貌单元,场地地层从上至下为:① 杂填土、② 黏土、③ 粉质黏土(黏土)、④-1 粉土夹砂、④-2 粉土夹砂、⑤-1 强风化泥质砂岩、⑤-2 中风化泥质砂岩。场地各土层主要物理力学指标见表1所列。

表1 场地土层主要物理力学指标

注：重度的单位为kN/m3。

1.2 基坑支护及开挖

该工程5层地下室基坑深度约22 m,墙趾位于⑤-1强风化泥质砂岩中7 m,属于深、大基坑工程,地质条件及周围环境复杂且场地有限,对沉降较为敏感,地下水量充沛,因此采用地连墙与水平楼板相结合的支护体系,整体刚度大,可以有效控制变形和沉降,基坑支护如图2所示。基坑分为地下5层,B0～B4板均逆作施工,主楼顺作,主楼部分形成一个半径为30 m的出土口,具体施工顺序见表2所列。基坑开挖过程中进行持续降水,坑内水位保持在底板以下、2 m以外。

图2 基坑支护图

表2 施工顺序

序号具体施工内容1水泥搅拌桩施工2基坑周边地下连续墙施工3钻孔灌注桩及支撑柱施工4开挖0～-2.5m土体,浇注B0板5开挖-2.5～-7.15m土体,浇注B1板6开挖-7.13～-11.75m土体,浇注B2板7开挖-11.75～-15.4m土体,浇注B3板8开挖-15.4～-19.0m土体,浇注B4板9主楼人工挖孔桩施工10开挖-19.0～-22.0m土体,浇注底板

2 基坑开挖数值模拟分析

2.1 基本假设

为了建模、计算方便,同时兼顾实际的施工开挖情况,做以下假设:

(1) 主要模拟基坑逆作法开挖过程,因此不考虑主楼人工挖孔桩及以上结构的施工。

(2) 基坑底部布满抗拔桩、灌注桩,为了降低计算量,模型中不考虑抗拔桩。

(3) 模拟计算过程中,由于充分降水,因此不考虑地下水的影响。

2.2 模型的建立

2.2.1 结构单元、材料参数及本构模型的选取

土体、地下连续墙及梁、板采用实体单元模拟,而墙与土体之间的相互作用采用FLAC-3D中内置的interface接触面来实现[2]。其中土体根据表1分为7层,采用Mohr-Coulomb本构模型,由于缺少部分试验数据,根据实际经验、规范及文献[3]取各层土体的弹性模量E及泊松比ν,然后根据(1)式、(2)式计算出对应土体的剪切模量K和体积模量G[4];而地连墙及梁板采用线弹性模型。支撑柱和灌注桩采用pile单元模拟,桩、柱与土体之间的相互作用通过法向和切向的耦合弹簧来实现,保证pile单元与实体单元网格间力和弯矩的传递。

K=E/[3(1-3ν)]

(1)

G=E/[2(1+ν)]

(2)

2.2.2 基坑开挖的模拟

基坑开挖实际是一个动态连续的施工过程,模拟可以通过计算步骤来实现基坑的分步施工,即通过“杀死”和“激活”相应计算单元来考虑土体开挖和围护体系的作用[5]。FLAC-3D中用null单元来实现土体开挖[6],设置最大不平衡力比为10-5来描述计算的收敛过程,经过近27×104步完成基坑开挖模拟计算,其具体施工工况见表3所列。

表3 施工工况

2.2.3 模型尺寸与边界条件

该深基坑平面为不规则的矩形,因此利用ANSYS建立三维空间模型再导入FLAC-3D进行计算,根据经验及弹性力学理论,土体平面尺寸取5倍开挖深度,为400m×400m的正方形,影响深度取2～3倍的开挖深度[7],取为80m。模型边界条件设为x=200 m、x=-200 m和y=250 m、y=-150 m 4个竖向截断面仅约束边界面法向位移,z=-80 m底部约束竖向位移,z=0 m地表面为自由边界。模型共有116 046个单元,119 728个节点,ANSYS与FLAC-3D三维模型如图3所示。

图3 三维模型

2.3 模拟结果分析

2.3.1 地连墙水平位移分析

FLAC-3D在模拟过程中监测了地连墙6条边中点处的水平位移,其中开挖完成时地连墙的x、y向位移云图如图4所示。

从图4可以看出变形最大值为42 mm,满足文献[8]中δmax/H≤0.5%的要求,地连墙位移呈两边小中间大的特点，且位于主楼出土口处的变形稍大,这是由于出土口处抗侧刚度小,对地连墙的变形约束小,因此中间变形大。

各中点的水平位移图如图5所示,在开挖初期地连墙向坑外变形,变形呈S形,从0至-4 m变形逐渐减少,-4 m以下随土体开挖,地连墙的变形不断增大且最大变形不断下移,最终变形最大值出现在-14～-16 m处,位于开挖面以上1/2～1/3深度处,这与文献[9]所得的实际监测的变形规律相似。

图4 地连墙变形图

图5 地连墙各中点处水平位移

2.3.2 周边土体沉降分析

基坑开挖完成时,基坑周边的沉降情况如图6所示。从图6可以看出,土体的最大沉降量为18 mm,小于设计地表最大沉降量0.1%H=20 mm的要求;“凹”形角点处沉降比“凸”形角点处的沉降大,这是由于“凹”形处土体受到两侧地连墙变形叠加的影响,导致土体沉降加大;基坑x=35.5 m、x=-49.3 m及y=-37.9 m处土体沉降呈两边小中间大的特点,这与地连墙的变形一致。

图6 基坑周边沉降图

基坑周边y=-9.8 m、y=-14.0 m和x=-0.6 m、x=-28.0 m处土体在不同工况下的沉降如图7所示,土体沉降呈倒弓形,距基坑6～8 m处最大沉降为18 mm,沉降影响范围大致在100 m内。

图7 不同开挖工况下基坑周边土体沉降

2.3.3 坑底土体回弹分析

土体随着开挖竖向卸载,坑底土体不断隆起,其最终回弹变形如图8所示,最大回弹11.9 cm,处于可控范围内,总体来看,主楼圆形出土口处坑底回弹最大,这是由于这部分土体只受到土体竖向卸载的影响,回弹比其他部位土体回弹要大。

y=0 m处坑底土体回弹在不同工况下的变形值如图9所示,可以看出,开挖浅层土体时,回弹值很小且各个部位的回弹值相差不多,为一水平直线,随着土体不断开挖,圆形出土口的回弹值增大,且在(0,0)点达到最大值,其左侧土体呈波浪形,这是由于左侧存在支撑柱和灌注桩,承受上部结构传来的荷载,给土体一个向下的约束。

图8 不同开挖阶段基坑周边土体沉降

图9 y=0 m处坑底土体在不同工况下的回弹值

2.3.4 桩顶垂直位移分析

整个开挖过程对所有桩顶垂直位移进行监测,(0,34.1)处桩顶位移最大,如图10所示。

浅层土体开挖阶段(工况3～工况4),桩体向下移动,这是由于浅层土体开挖卸载时,坑底土体竖向卸载效果不明显,梁板柱自重及施工荷载通过地连墙及灌注桩承担,使得桩顶下沉；深层土体开挖阶段(工况5～工况7),坑底土体竖向卸载效果不断增强,同时坑底土体回弹变形不断增大,导致桩体不断上抬,桩顶最大上抬量为6.3 mm。

图10 (0,34.1)处桩顶垂直位移

2.3.5 主楼出土口处圆形梁变形及应力分析

主楼出土口半径达30 m,必须控制其在开挖阶段的变形,水平变形如图11所示,最大主应力如图12所示,可以看出在x方向变形达4 cm,主应力较大,这是由于此处刚度小且距基坑边近,受到地连墙的变形影响大。

图11 x向水平位移

图12 最大主应力

3 结 论

本文对深基坑逆作法开挖阶段的变形过程进行FLAC-3D模拟分析,通过对开挖阶段基坑整体变形、沉降等问题的研究,得出以下结论：

(1) 地连墙变形呈S形,最大水平位移为42 mm,位于开挖面以上1/2～1/3深度处,施工过程中应合理布置监测点,重点部位在地连墙的边中点及角点处。

(2) 周边土体沉降呈倒弓形,距基坑6～8 m处最大沉降为18 mm,基坑周边10 m范围内监测点要多布置一些,10 m之外可适当减少监测点,若日均沉降大于3 mm,应立即停止施工。

(3) 经计算得桩顶垂直位移随开挖大致呈先向下微移再上抬的趋势,最大可达6.3 mm,因此要加大梁板柱节点处的监测,防止楼板开裂。

(4) 坑底回弹随土体开挖逐渐增大至12 cm左右,因此开挖之前要保证地下水降至开挖面以下2 m,同时在开挖阶段加大监测频率。

(5) 由模拟分析结果可知圆形出土口处梁变形及应力较大,应严格控制出土口处的施工荷载不大于20 kPa。

[1] 徐志均,赵锡宏.逆作法设计与施工[M].北京:机械工业出版社,2002:197-216.

[2] 杨宝珠,仲晓梅.基于FLAC 3D的深基坑开挖过程数值分析[J].河北工程大学学报(自然科学版),2008,25(3):15-18.

[3] 贾堤,石峰,郑刚,等.深基坑工程数值模拟土体弹性模量取值的探讨[J].岩土工程学报,2008,30(增刊1):155-158.

[4] 马宏,季聪,杨瑞刚,等.利用FLAC 3D对基坑支护数值模拟分析[J].世界地质,2013,32(4):857-861.

[5] 孙书伟,林杭,任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2011:180-193.

[6] 陈敏华,陈增新,张长生.FLAC3D在基坑开挖分析中的应用[J].岩土工程学报,2006,28(增刊1):1437-1440.

[7] 谢小松,徐伟.“半顺作半逆作法”基坑开挖中地下连续墙有限元分析[J].结构工程师,2007,23(3):22-25.

[8] 山东省建设厅.建筑基坑工程监测技术规范:GB 50497—2009 [S].北京:中国计划出版社,2009:25-27.

[9] 张新建,周嘉宾,吴东明.超深逆作法基坑围护结构变形分析[J].建筑结构,2012,42(4):121-123.

(责任编辑 张淑艳)

Numerical simulation analysis of deep foundation pit deformation by top-down construction method based on FLAC-3D

YANG Yifei, GUAN Qun, SUN Ruohan, GAO Ju, ZHANG Li

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In this paper, the three-dimensional model is established by using ANSYS software, and the model is imported into FLAC-3D for numerical simulation and calculation of the deformation process of deep foundation pit excavation by top-down construction method. The results show that the deformation of diaphragm wall is in S shape and the maximum horizontal deformation is located above the 1/2-1/3 depth of the excavation surface. The adjacent soil settlement is in inverted bow shape and the maximum settlement is 6-8 m away from the pit. The bottom soil upheaval gradually increases with the soil excavation. The vertical displacement of pile top is roughly first slightly moved downwards and then uplifted with the excavation. The study results can provide reference for similar engineering.

top-down construction method; deep foundation pit; deformation; numerical simulation

2015-09-28；

2016-01-05

杨益飞(1989-),男,江苏如皋人,合肥工业大学硕士生; 关 群(1962-),女,江苏扬州人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.018

TU470.3

A

1003-5060(2017)04-0522-06