FLAC3D数值分析软件在深基坑工程中的应用探析

管红兵

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

随着经济社会发展，国内高层建筑不断涌现，深基坑工程也随之而来，国内一般将深度超过5 m的基坑称之为深基坑，由于深度较大，基坑施工难度增大，且影响基坑稳定的因素较多。为了确保基坑安全，为地下工程施工创造稳定安全作业环境，需要对深基坑开展专项方案设计，甚至需要组织专家论证。深基坑支护结构设计和基坑开挖后对周边环境的影响预测分析成为深基坑施工重要领域。

本文利用FLAC3D软件，以国内某商业广场深基坑支护为研究对象，通过建模、工况模拟分析等，根据软件输出结果，分析深基坑开挖后，周边地表沉降变化、支护结构内力变化等，预测判别深基坑支护方案的合理性。

1 工程概况

国内某商业广场位于W市，项目总占地面积约57 000 m2，分为综合体商业部分和高层住宅两部分，其中商业部分A基坑设计底标高平均-10.9 m，住宅部分B基坑设计底标高平均-9.6 m，局部电梯井开挖深度达15 m。项目所在地区为W市城市中心，周边紧邻城市主干道，附近还有高层住宅小区和政府机关办公大楼，且距离项目基坑距离只有十余米，周边地区环境相对复杂。

通过该项目场地勘察钻探资料表明，场地内岩土层自上而下主要由五个单元层组成，依次为①新近填土和淤泥层；②黏性土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土夹粉土层；③粉土夹粉砂、粉质黏土层；④砂土、砂、砾胶结层；⑤强-中风化泥质粉砂岩或粉砂质泥岩、砂砾岩。场地地质情况相对较好。场区内地下水类型主要为上层滞水和第四系孔隙承压水，基坑设计有降水方案。

2 深基坑支护设计方案

本项目基坑支护设计方案为：基坑支护结构采用直径1.0 m，间距1.2 m的钻孔灌注桩、并设置双排粉喷桩止水帷幕，同时设置角撑与对顶撑相结合的基坑内支撑。基坑上部进行减载放坡，且坡面采用挂网喷面，以减少主动土压力，坡中设置放坡平台，兼做施工道路。支护结构剖面布置图见图1。

图1 支护体系布置剖面图

3 FLAC3D数值分析

FlAC3D全称为快速拉格朗日差分分析（Fast Lagrangian Analysis of Continua），该软件采用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能非常准确地发现模拟材料的塑性破坏和流动，且无须形成刚度矩阵，采用较小的计算资源便可以求解大范围的三维岩土工程问题，因此，该软件由美国ITASCA公司推出后，广泛被岩土工程等领域所应用。

本次基坑开挖模拟分析选取基坑A中某段为对象，开挖涉及的土层有五层，土质情况见表1。

表1 土层性能参数

通过FLAC3D对上述土层建模，形成基坑模型如图2所示。

图2 模型土层分布图

3.1 建立初始应力场。

在土木工程中，初始地应力场存在和影响不容忽略，为了正确模拟基坑场地开挖前的应力状态，首先要在模型内部构建初始应力场，获得附加地下水压力、重力条件下的初始平衡状态。

如图3、4所示，土体中最大不平衡力是随着时步的增加而逐渐变小，当计算步数达到16 000，最大不平衡力处于稳定收敛状态，表明此刻土体内部已达到了平衡状态。

图3 初始平衡计算的z方向应力图（土压力图）

图4 初始平衡计算中最大不平衡力监测图

3.2 开挖工况模拟

基坑土方采用分层开挖，开挖作业包括了上部放坡开挖、施工道路开挖和基坑主体开挖三个部分，开挖顺序是先同时进行上部放坡开挖和施工道路开挖，然后对基坑主体进行开挖。上部放坡开挖参数为放坡高度3.1 m，坡脚45度，放坡开挖完成后立即对坡面进行土钉喷锚加固。施工道路设计参数为7.5 m宽，基坑主体开挖1 m后打入一排锚杆，与支护结构共同构成桩锚支护体系，然后继续开挖到基坑底部，完成开挖施工。为了与实际情况一致，将本基坑开挖分为如下四个工况。

工况1基坑上部放坡开挖；工况2进行土钉加固、设置土钉参数；工况3基坑主体开挖1 m，进行预应力锚杆加固以及桩锚单元的连接；工况4继续开挖到基坑底部。

开挖建立模型完成后如图5所示，图中表达出了基坑主体、桩单元、预应力锚索单元、土钉单元。

图5 建模完成后基坑模拟图

3.3 后处理

FLAC3D计算的结果为.sav格式，后处理的作用是从这些结果文件中提取和输出所需要的分析数据信息，包括云图、矢量图、曲线等不同形式的结果。

3.3.1 基坑开挖支护后X和Y方向位移云图

根据输出的位移云图图6、图7，X方向最大位移发生在开挖坡脚深部地基中和桩顶处，图中左壁桩单元没有预应力锚索加固，于是在X方向产生了较大位移，最大达到7.5 cm。而右壁桩单元因有预应力锚索加固，可见X方向的最大位移量相对较小，只有2.4 cm左右。Z方向最大位移则发生在基坑左侧的施工道路上，经过模拟分析，最大沉降量可达40 cm左右，主要原因系基坑左壁因没有预应力锚索加固导致了土体发生塑性破坏，而对比基坑右壁施工道路虽然沉降量也达到了10 cm左右，但在可控范围之类，基坑底部发生Z方向隆起位移，主要原因是由于卸荷回弹等作用所致，从分析结果看，确实与实际情况一致。

图6 基坑开挖后X方向的位移云图

图7 基坑开挖后Z方向的位移云图

3.3.2 塑性区分布图

塑性变形情况更能直观展示出基坑开挖后塑性网格单元的分布，以此了解基坑的变形破坏特点。

从塑性区分布图8可以看出因无预应力锚索加固，基坑左壁桩单元的塑性区分布范围很大，桩单元后的主动土压力区和桩单元前的被动土压力区是主要的塑性范围，并向土体深部扩大；而基坑右壁塑性区范围明显较小，分布范围控制在桩前的被动土压力区，这充分说明桩锚支护体系发挥出了预期的支护作用，从而控制了塑性范围的扩大。

图8 塑性区分布图

3.3.3 变量监测曲线

通过记录模拟过程，对一些关键节点进行跟踪监测，绘制出变量监测曲线，可以直观掌握监测位移变形量、结构单元内力变化情况等。

图9显示的是左壁坡顶节点5 107（30，0，28）和右壁坡顶部节点6 220（70，0，28）的X方向位移监测对比情况。由图可以得出以下结论：

图9 基坑左右桩单元顶节点水平位移监测对比图

①图中黑色位移曲线代表左壁顶部id=5107的节点监测变化情况，由图可见，该节点发生X正方向的位移变形，当计算到22 000步时候基本趋于稳定，该位移量达到最大值7.2 mm；

②图中红色位移曲线代表右壁顶部id=6 220的节点监测变化情况，由图可见，该节点发生X负方向的位移变形，当计算到16 000步后基本趋于稳定，该位移量达到最大值3.7 cm。

由此可以分析得到结论：基坑左壁没有设置预应力锚索导致发生了较大水平位移而失稳，而右壁由于设置预应力锚索单元，和桩单元共同形成了联合的桩锚支护结构体系，能够有效抑制基坑右壁的水平位移，表明支护取得了理想的效果。

图10为基坑左侧顶部节点5 515（25，0，32）和右侧肩部节点5 600（78，0，32）在X方向的位移监测对比图。由图可以得出以下结论：

图10 基坑放坡左坡顶和右坡顶节点水平位移监测对比图

①基坑左侧虽然放坡但没有对其坡面进行土钉喷锚加固，于是放坡土体的位移量较大，通过模拟，最大位移量在25 cm左右，已经处于塑性流变状态；

②右侧放坡采用土钉喷锚加固，通过模拟，最大位移量在10 cm左右，说明在放坡坡面再进行土钉喷锚加固，对于控制位移变形有着明显效果。

通过本项目FLAC3D软件在深基坑工程中的模拟分析，其结论与实际施工情况完全一致，充分说明了该软件在深基坑工程中的应用价值，通过FLAC3D模拟分析，可以为论证设计方案可行性、合理性提供依据，也为基坑开挖施工提供指导。