基于FLAC3D深基坑变形规律研究

裴 迅

（郑州工业应用技术学院，郑州451100）

1 国内外研究现状

20世纪40年代，Terzaghi[1]和Peck[2]等人通过大量的工程分析和研究，提出了预估挖方的稳定程度和支撑受荷大小的总应力法，并在以后的工程应用和分析研究中做了许多改进与修正；20世纪50年代，Bjeruum和Eide通过对基坑开挖过程中底板隆起量的分析和研究，总结出了确定基底隆起的方法[3]。

我国的深基坑支护结构设计出现的时间相对较晚。20世纪70年代，基坑工程逐渐出现在人们的视野，其特点是开挖深度较浅且没有相邻建筑物；20世纪80年代以来，由于北京、上海、深圳等大型城市快速发展及人口的迅速增加，高层及超高层建筑拔地而起，这些建筑的基础施工，成为基坑工程的主要内容；20世纪90年代以后，旧城改造成为我国大部分城市的主题，然而此时的深基坑施工则是在建筑物密集的市区内进行，给这一古老基坑支护课题注入了新的血液，即如何确保基坑开挖过程中周围建筑的安全。但是，由于基坑工程是一项系统工程，影响因素众多、设计与施工脱节，工程中发生安全事故的概率仍然很高[4-5]。

2 深基坑变形机理

深基坑施工过程中，随着土体的开挖，基坑底部由于荷载消除，土压力促使土体产生向上为主的位移，同时围护结构随着开挖深度的增加，两侧受力不平衡产生向基坑内为主的位移，基坑周围地层也随之产生移动。基坑因变形而表现出来的三种位移主要有：基坑底部隆起、围护结构的变形和坑外地表的沉降。三种变形的产生都是由于基坑土体的卸荷而产生的，因此三种变形是相互联系的。

3 工程简介

3.1 工程概况

城际铁路因具有占地少、速度快和运量大的特点得到各大城市的喜爱。郑机城际铁路将承担新郑机场至郑州、开封、许昌等城市的客流，对缩短人们的出行时间、实现郑州地区与周边城市“半小时”经济圈创造有利条件，同时对提升中原城市群综合竞争力起着关键性的作用。本期施工为郑机城际铁路地下段第Ⅳ标段，总长为5 216.1m，设计起止里程为DK38+883.90～DK44+100。由于区间段结构断面过大，拟采用明挖顺作法进行施工，线路走向具体详见图1所示。

3.2 支护结构方案

拟建深基坑选用的支护方案为：先对第一层按照1:1.25的比例土进行放坡开挖，再施作围护结构。基坑内采用三层钢支撑体系：第一层位于冠梁处，选用直径609mm，厚度t=12mm钢管支撑，水平间距为3m；第二层位于冠梁下6m处，选用直径609mm，厚度t=16mm钢管支撑，水平间距为3 m；第三层位于冠梁下11m处，选用直径609mm，厚度t=16mm钢管支撑，水平间距为3m。其中，第一层钢支撑轴力设计值为784 kN，第二层钢支撑轴力设计值为2 754 kN，第三层钢支撑轴力设计值为3 164 kN。各道钢支撑按设计的30%～50%施加，并根据施工现场围护结构的变形、受力监测情况调整实施。深基坑围护结构见图2所示。

图1 线路走向图

图2 深基坑围护结构断面示意图

4 基坑开挖数值模拟

4.1 整体模型的建立

深基坑工程变形规律和受力特性不仅与基坑平面形状和开挖深度有关，而且与土方开挖顺序、钢支撑安装是否及时等施工工序也密切相关。笔者主要模拟城际铁路深基坑支护开挖，综合考虑基坑周边环境及土质条件，基坑开挖方式为：首先对基坑进行放坡开挖，开挖深度6m；然后对基坑进行支护开挖，开挖最大深度为16m。根据明挖隧道深基坑狭长的工程特点，同时考虑基坑变形对周边环境的影响范围及求解精度，选取60m×40 m×15m（宽×深×长）的区域建立FLAC计算模型，模型产生36 000个单元，40 016个节点。基坑整体模型如图3所示。

图3 深基坑模型及单元划分

4.2 计算工况

基坑支护模型可以在任意时刻添加，避免支撑因重力场而提前发生变形，要尽可能与实际施工工序相一致。基坑支护开挖数值模拟的具体实施步骤如下：

①综合考虑工程尺寸及开挖影响范围建立三维模型，并进行土体平衡运算形成初始地应力场；

②对第①步平衡计算所产生的位移归零，并保留初始地应力；

③通过modelnull命令对基坑进行放坡开挖，并对基坑受力进行平衡计算，得到基坑放坡开挖后的应力场和位移场，设置锚杆对边坡进行支护；

④基坑进行第一层土体开挖，经受力平衡计算得到开挖后的应力场和位移场，并设置第一层钢支撑；

⑤重复步骤④，直至基坑开挖完成并进行平衡计算，得到基坑开挖后的应力场和位移场。

深基坑施工工况：

工况一：按照1:1.25坡度进行放坡开挖，开挖深度6m；

工况二：钻孔灌注桩围护结构施工；

工况三：第一层土体开挖，深度为2m；

工况四：在冠梁下0.5m处施作第一层钢支撑，第二层土体开挖，深度为9m；

工况五：在冠梁下6m处施作第二层钢支撑，第三层土体开挖，深度为14m；

工况六：在冠梁下11m处施作第三层钢支撑，第四层土体开挖至基坑底部，深度为16m。

4.3 数值模拟分析

4.3.1 基坑水平位移分析

结合基坑工程实际施工工况，运用有限差分数值模拟软件FLAC3D，模拟基坑支护开挖全过程，研究围护结构水平位移变形规律。基坑支护开挖过程中，由于开挖面应力释放而导致围护结构两侧受力不平衡，在基坑外侧土体主动土压力和基坑内土体被动土压力的共同作用下，围护结构产生水平位移。图4为FLAC模拟下的基坑水平位移云图。

从图中可以看出，在基坑开挖到3m处时，对围护桩水平位移影响较小，随着开挖深度的增加和钢支撑的架设，围护桩水平位移逐渐增大，且桩体变形曲线由悬臂式转变成“弓”字形曲线。基坑开挖施工过程中，围护桩最大水平位移为16mm，且控制在桩体水平位移最大允许值50mm内。

4.3.2 基坑竖向位移分析

图5为基坑竖向位移发展趋势：基坑开挖初期，地表沉降明显增加，且距离围护桩体越近地表沉降越大。随着开挖深度的增加，基坑底部位移由最初的沉降转变成坑底土体向上隆起，与实际工程中因土体开挖卸荷导致坑底土体隆起相一致。在基坑开挖过程中，由于钢支撑对围护桩的限制作用，坑底隆起虽然继续增大，但变化率趋于稳定。

图4 工况六水平位移（单位：m）

图5 工况六竖向位移（单位：m）

5 结论

笔者以郑机城际铁路隧道深基坑为工程背景，采用数值模拟的方法，研究了深基坑工程中钻孔灌注桩+钢支撑支护体系的受力特征及变形规律，研究了影响支护体系稳定性的主要因素。主要内容和结论如下：

1）采用FLAC3D数值模拟软件对基坑施工过程进行了模拟及变形监控，模拟计算结果和现场监测数据变化趋势基本一致。表明模型的建立、本构关系的选择及参数的选取是合理的，且能够体现基坑变形的一般规律。

2）桩体水平位移的模拟结果表明，围护桩最大水平位移发生在基坑开挖深度2∕3左右的位置。

3）采用FLAC3D数值模拟软件对基坑施工过程进行了模拟及变形监控。通过对两组数据变形规律的研究，暴露出施工过程中支护不及时、开挖面无支撑暴露时间长、钢支撑影响土方开挖、施工周期长等问题，FLAC3D模拟过程中未考虑现场施工因素对支护体系的影响。

4）深基坑支护体系作为一种临时的支挡结构，要统筹兼顾工程安全和经济合理的关系。因此，通过数值模拟手段正确分析基坑的变形规律和受力特征，对基坑工程的设计和施工有着重要的意义。