FLAC3D正交试验在基坑工程中的应用

张亚坤

(黄河水利职业技术学院,河南开封475004)

FLAC3D正交试验在基坑工程中的应用

张亚坤

(黄河水利职业技术学院,河南开封475004)

以上海某软土深基坑为研究对象,利用FLAC3D软件进行了9组正交试验,分析基坑开挖过程中隆起量、桩体位移和坑外土体沉降量。研究表明,基坑中间隆起量最大,基坑隆起量可以用指数模型y=AxB模拟,围护桩入土深度对隆起量影响最大；桩体左侧位移开始逐渐增加,当达到最大值18.91～35.58 mm后逐渐减小,桩径对桩体位移影响最大；土体沉降曲线呈现“勺子”状,坑外下侧土体沉降最大为40.76～51.68 mm,桩径对土体沉降影响最大。

软土；深基坑；正交试验；坑底隆起；桩体位移；土体沉降

0 引 言

在人口较稠密、建筑物较密集和管线复杂地区的基坑工程,基坑外没有足够空间放坡,基坑围护结构的设计与施工问题变得尤为突出[1]。基坑工程虽然是临时工程,但基坑坍塌时,可能会造成大量人员伤亡和财产损失,严重影响施工进度。国内外学者对基坑开挖过程中土体沉降、基坑坑底隆起、围护结构的变形等问题进行了深入研究[2]。

随着计算机技术的快速发展,利用计算机对岩土工程问题进行模拟和计算成为可能。特别是有限元分析方法的引入,使基坑工程的设计、施工、监测得以借助于计算机模拟,为基坑工程的安全提供了一定的保障[3- 6]。FLAC3D数值模拟不仅用于基坑工程中,同时在边坡分析中也广泛应用[7]。

本文基于上海市典型软土区域某基坑工程,利用正交试验,结合FLAC3D软件建立三维数值模型,模拟计算不同因素对基坑开挖过程中的坑外土体位移、基坑隆起、围护结构等的影响规律,为基坑的设计、施工、监测提供参考。

1 工程概况及研究思路

该基坑工程场地位于上海市典型的软土区域,基坑长53.2 m,宽30.6 m,开挖深度13.5 m。采用筏板基础,板厚1 400 mm,板底标高13.2 m,垫层厚度150 mm。采用3道混凝土支撑,第1道800 mm×800 mm,第2道1 100 mm×1 000 mm, 第3道1 100 mm×1 000 mm。基坑平面布置见图1。混凝土强度C40,围护结构采用桩孔灌注桩,间距150 mm。

图1 基坑平面布置(单位：mm)

表2 各土层计算参数

拟建场地浅部地下水类型属潜水,受大气降水及地表径流补给。场地年平均地下水位埋深为地表下0.5～0.7 m,低地下水水位埋深为地表下1.5 m。拟建场地内,在深约为28.20 m以下的第⑦层为承压水层,水位埋深呈周期性变化。

为探究每道支撑标高、灌注桩桩径和灌注桩入土深度对基坑围护结构变形、坑底隆起和坑外土体沉降的影响。研究的变量有3个(基坑围护结构变形、坑底隆起和坑外土体沉降),每个变量有3个影响因素(支撑标高A、桩径B、桩入土深度C)。正交试验设计及参数见表1。

表1 正交试验设计及参数

2 软件建模及计算

2.1 数值计算模型

本文对该场地采用摩尔-库伦模型进行模拟[8],对开挖部分采用空模型,对围护结构采用结构单元方式。围护桩、混凝土支撑和梁的弹性模量为32 GPa,泊松比为0.167,容重为25 kN/m3。将场地土层划分为6层,第6层为开挖深度范围以下区域。参考场地岩土勘察报告、相关工程案例及当地工程经验,各土层计算参数见表2。

2.2 计算参数选取

考虑到基坑对周围土体的影响范围一般为基坑的开挖深度2～4倍,而基坑的截面尺寸长53.2 m、宽30.4 m、高13.5 m,因基坑对称分布,选取1/4计算模型进行计算,几何尺寸取为75 m×50 m×50.4 m,设置191 250个单元, 201 552个节点。具体模型见图2。基坑隆起、坑外土体沉降和围护结构变形观测点之间的距离均为1 m。

图2 基坑模型

3 数据结果分析

基坑开挖过程打破了天然土体原始应力平衡,土体中的应力重新分布形成新的应力场。基坑支撑和围护结构是保证基坑稳定的重要措施[9-10],不同的围护结构和支撑结构对基坑的稳定性影响不同。因此,分析基坑开挖过程中坑底隆起量、围护结构变形及坑外土体沉降对基坑稳定性研究具有重要意义。

3.1 坑底隆起量

对每层土体开挖后的隆起量进行分析,选取 1/4模型进行分析,隆起量观测6个点,每个点间距5 m，点1距离基坑边0.5 m。 基坑底部隆起量观测点见图3。

图3 基坑底部隆起量观测点

图4为表1中A1B1C1组合(方案1)基坑开挖3层隆起量关系。从图4可知：①随着开挖深度的增加,基坑隆起量不断增加,开挖到最后一层时,基坑隆起量最大,这主要是基坑开挖越深,土压力越大,基坑的隆起可以让应力得到释放。②同一层基坑隆起量,离基坑边越近,隆起量越小,基坑中心隆起量较多。从基坑边到中心的隆起量可以用指数模型y=AxB表示。式中,y为隆起量；x为距基坑边距离；A、B为拟合参数。相关系数R2>0.99,拟合度吻合良好。没有基坑隆起监测值时,可以用该模型进行基坑隆起的简单预估,以便了解基坑开挖过程中基底隆起。③基坑开挖过程中隆起范围为66.7～92.2 mm。

图4 A1B1C1组合基坑开挖隆起量

隆起量试验结果见表3。利用表3中正交试验的具体结果,设立1组空列(主要考虑误差而设立)。其中,K1、K2、K3分别表示任一列水平号i(本次试验为1、2、3)所对应结果之和。如第1列K1=92.21+87.86+81.93=262,其他依此类推。ki=Ki/s,其中,s为任一列上各水平出现的次数,如本次试验s=3,k1=262/3=87.33；其他依此类推。任一列上极差R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}，R值越大,说明该因素在试验范围内的变化越大,即该因素对试验影响越大。从表3试验结果可以看出,围护桩入土深度对基坑隆起量影响最大。因此,在基坑设计中,可以增加围护桩入土深度降低基坑隆起量。

表3 隆起量试验结果

3.2 桩体位移

图5是基坑左侧桩体位移(监测点间距1 m,监测桩长20 m)。从图5可知,桩体位移随着开挖深度的增加不断增加,当达到最大值18.91～35.58 mm(即开挖到基坑底)后,桩体位移随着入土深度的增加逐渐减小。主要原因是随着开挖深度增加,土应力越来越大,导致桩体位移增加。10～15 m处桩体位移有个凸出,这主要是因为该土层土质较弱,强度低,压缩性高所引起。因此,在基坑开挖施工中,应该注意软弱土层的处理,以保证安全施工。方案9桩体位移达到最大(35.58 mm)；方案3、6桩体位移分别为33.57 mm和35.11 mm,这3组试验桩径相同,支撑位置越往下,桩体位移越大。方案5桩体位移最小(18.91 mm)，可参照该方案进行围护结构设计。

图6是基坑下侧桩体方案3、6、9位移(监测点间距1 m,监测桩长20 m)。从图6可以看出,桩体位移与图5有类似规律,桩体位移随着开挖深度的增加逐渐增加。当桩体入土后,位移逐渐减小,桩体位移较大。对比图5、6可知,基坑长边桩体位移较短边大。桩体最大变形量为45.18 mm,这主要是由于短边斜撑和短边基坑长度较小所致。

图5 基坑左侧桩体位移

图6 基坑下侧桩体位移

利用正交试验[11]的具体结果,设立1组空列,可以得到左边桩体位移极差R。其中,支撑标高的R为0.91,桩径标高的R为15.93,桩入土深度的R为0.66。即围护桩桩径对桩体位移影响最大,支撑标高次之,桩入土深度影响最小。从图7基坑左侧桩体位移趋势中看出,桩径变化最大,其影响最大,随着支撑标高的降低,桩体位移减小。因此,在基坑设计和施工中,可以通过改变桩径影响桩体的位移。

图7 基坑左侧桩体位移

3.3 坑外土体沉降

图8是基坑下侧土体沉降(监测点间距1 m,监测范围24 m)。从图8可知,坑外土体沉降规律为：离基坑壁较近时,土体有一个大的沉降；距离增加时,土体沉降越来越大；沉降达到最大值后,随着距离的增加,沉降越来越小,沉降曲线呈“勺子”状,这与基坑外土体在离基坑边0.5～1倍开挖深度时沉降最大相似。坑外土体沉降类似一个“漏斗”,在基坑开挖过程中,土应力的释放,二次应力的平衡和降水引起坑外土体的变形。基坑开挖过程中,坑外土体最大沉降为40.76～51.68 mm,最大沉降为方案1(51.68 mm),最小沉降值为方案3(40.76 mm)。方案1、3支撑标高设计一样,桩径和桩入土深度对坑外土体沉降影响较大。

图8 基坑下侧土体沉降

图9是基坑左侧土体方案3、6、9沉降(监测点间距1 m,监测范围24 m)。从图9可知,坑外土体沉降规律与基坑下侧土体基本相似,沉降曲线呈“勺子”状,沉降值较基坑下侧土体小,最大值为31.96 mm。基坑长边土体沉降较短边大,这主要是由基坑的支撑方式引起。因此,制定控制坑外土体沉降措施时,应该因地制宜考虑基坑的形状和大小。

利用正交试验的具体结果,设立1组空列,可以得到基坑下侧位移极差R。其中,支撑标高R为0.35；桩径标高R为6.79；桩入土深度R为4.60。即围护桩桩径对桩体位移影响最大,入土深度次之,支撑标高影响最小。因此,在基坑设计和施工中,可以改变桩径和入土深度影响坑外土体的沉降,以便对周边环境影响较小。

图9 基坑左侧土体沉降

4 结 语

本文利用正交试验方法和FLAC3D软件,对上海某软土深基坑进行分析,得出以下结论：

(1)基坑开挖过程中,由于应力的释放,基坑底会有一定隆起,随着开挖深度的增加,基坑隆起量在不停增加,基坑中心基坑隆起量较大。从基坑边到基坑中心的隆起量可以用指数模型表示。围护桩入土深度对基坑隆起量影响最大,围护桩直径次之,支护标高影响最小,可以加深围护桩入土深度快速减小基坑隆起量。

(2)桩体位移随着开挖深度的增加不断增加,达到最大值后,随着桩入土深度的增加逐渐减小。桩体位移在10～15 m处有个凸出,变化较大。桩径对桩体变形影响最大,其次是桩入土深度,支撑标高影响最小。

(3)坑外土体沉降曲线呈“勺子”状,沉降先增加到最大值,然后逐渐减小,这与基坑外土体在离基坑边0.5～1倍开挖深度时沉降最大相似。围护桩桩径对桩体位移变形影响最大,桩入土深度次之,支撑标高影响最小。

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(责任编辑 杨 健)

桃源水电站首次实现9台机组满发出力

2017年3月20日18时20分，沅水桃源水电站首次实现9台机组满发，最大出力达1 822 MW，超设计出力2 MW。

桃源水电站坝址控制集水面积86 700 cm2，水库正常蓄水位39.5 m，死水位39.3 m，无调节性能。电站安装9台20 MW的灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量180 MW，设计多年平均发电量7.93亿kW·h电站设计水头5.6 m，单机引用流量411 m3/s，9台机组满发流量3 699 m3/s，属大流量低水头径流式水电站。自2014年10月10日,电站9台机组全部投产以来，由于枢纽下游1 600 m 以内的河床淤塞严重，电站厂房尾水宣泄不畅，导致上游来水量达到3 130 m3/s左右时，电站运行水头下降至额定水头5.6 m，当上游来水量达到机组满发流量3 699 m3/s时，尾水进一步抬高，运行水头下降至5.33 m，低于额定水头0.27 m，9台机组合计出力不到166 MW。不采取有效的工程措施，不仅电站无法达到设计出力，而且严重影响枢纽河段行洪和船闸通航安全。

针对这一情况，2014年10月底，桃源公司组织电厂工程技术人员攻关论证、制定方案，于2015年2月初组织桃源水电站厂房尾堆和下游河道疏浚工程招投标，同年3月底，该工程正式启动。经过近两年的艰苦努力，截止2016年底，清挖上岸淤积体61万余方(每方仅6.44元)，对应300 m3/s至3 699 m3/s的发电流量时，电站尾水位下降0.86 m至0.48 m，不仅较大地提高了运行水头，确保电站达到设计出力，而且为桃源水电站2015年完成年发电81 336万kW·h(超设计2 036万kW·h)、2016年完成年发电81 748万kW·h(超设计2 448万kW·h)，为连续两年超设计发电量提供了坚实的硬件支撑。通过疏浚工程的实施，降低了电站尾水位，使桃源水电站尾水参数基本符合了设计工况，确保电站效益达到了设计水平。

由于兴建桃源水电站改变了原有河道、河床形态和洪水流态，枢纽下游河段演变还在继续，现电站厂房尾堆和下游河道预计还有50多万m3的淤积体尚未清挖，桃源公司将继续努力，克服困难，完成彻底清淤工作，达到最大限度地发挥电站效益，确保电站行洪和船闸通航安全。

(裴少拓)

Application of FLAC3D Analysis in Foundation Pit Engineering Based on Orthogonal Test

ZHANG Yakun
(Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng 475004, Henan, China)

Taking a deep foundation pit in Shanghai as research background, nine group orthogonal tests are done to analyze the uplift amount, displacement of pile and settlement out of pit during excavation by using FLAC3D software. The largest uplift occurs in the middle of pit and the uplift amount can be simulated by exponential modely=AxB. The buried depth of enclosing pile has great effect on uplift amount. The deformation displacement of left side of pile begins to increase and then decreases after reaching the maximum value of 18.91-35.58 mm. The pile diameter has great effect on deformation displacement of pile. The soil sedimentation curve presents as “Spoon” shape. The maximum value of settlement of the lower side of pit is 40.76-51.68 mm and the pile diameter has great effect on soil settlement．

soft soil; deep foundation pit; orthogonal test; uplift amount; displacement of pile; soil sedimentation

2016- 12- 01

国家自然科学基金资助项目(51178433)

张亚坤(1983—),男,河南平顶山人,讲师,研究方向为新型复合材料性能研究．

TU753(251)

A

0559- 9342(2017)05- 0043- 05