基坑工程直立开挖支护的FLAC3D数值模拟分析

许世雄

(中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京 100013)

0 引言

基坑放坡开挖的形式是最早的一种基坑开挖方式［1］，该方法要求周边存在比较空旷的施工场地，并且该方法土方量一般会非常大，同时要选择合理的开挖坡度，以保证开挖坡体的稳定性。而当拟建建筑处于建筑物较密集，或周边环境［2，3］条件比较严苛，或对位移要求比较高的时候，就要采用位移控制满足要求的直立开挖支护方式［2-4］。

本文将模拟均质土基坑直立开挖支护结构来进行模拟分析，获得在以变形控制为主的支护设计方案进行比选时提供一些参考建议。

1 数值模拟分析

1．1 建模基本假定

1)土体假定为均匀、各向同性的弹塑性体，土钉考虑成弹性结构体;

2)不考虑坡顶超载作用对坡体稳定及位移变形发展的影响作用;

3)不考虑地下水及孔隙水压力对支护结构的作用，不考虑渗流影响［5］。

1．2 分析目的

本文基于均质土基坑开挖分别建立开挖不支护坡体、纯土钉支护坡体、搅拌桩复合土钉支护坡体3种工况下的开挖模型进行运算分析。首先，对无支护条件下的均质土基坑的开挖过程进行模拟，分析其破坏状态;再次，在模型中设置土钉结构进行支护并开挖，对纯土钉结构支护后的基坑边坡的变形进行了模拟分析;最后，对水泥土搅拌桩复合土钉支护结构体系对基坑开挖的支护效果进行了模拟，对基坑位移变形特性进行分析，总结出一些具有参考价值的结论。

1．3 土体本构模型

因FLAC3D程序中的Mohr-Coulomb模型在岩土工程仿真模拟研究中得到极其广泛的应用［6］。本文选用Mohr-Coulomb弹塑性模型作为土体本构模型。

1．4 结构单元

在数值模拟的过程中，土钉结构采用锚索单元［6，7］。因水泥土搅拌桩(墙)与土体一样采用实体单元来对其材料赋值进行模拟［8］。

1．5 边界条件

因实际工程中的开挖过程对模型边界的应力及应变影响较小，故对模型的前面、后面和底面三面都施加固定约束，两个侧面仅对Y方向固定。这样，模型将近似服从静止土压力分布形式［7，8］。

1．6 建模过程

1)参数情况。

土体:粘聚力c=18 kPa，内摩擦角φ=22°，重度G=18 kN/m3，泊松比 ν=0．3，弹性模量取E50=16 MPa。

搅拌桩:粘聚力 c=400 kPa，内摩擦角 φ=35°，重度 G=21 kN/m3，泊松比 ν=0．25，弹性模量 E50=600 MPa。

土钉:直径 Φ =28 mm，横截面面积为 xcarea=8．5e－3，钉体弹性模量为emod=200e9Pa，浆体与土体的粘结强度为100e3N/m，浆体剪切刚度为200 kPa，钻孔周长为0．314 m，浆体内摩擦角为25°。

2)建模过程。

因基坑坡体最危险的部位位于基坑长边的中间，因此本文将以该部位作为分析对象，在Y方向取一列土钉的宽度来进行简化并且建立模型。模型宽度(即土钉的水平间距)1．2 m，搅拌桩厚度1 m，模型整体高30 m，长50 m，如图1所示。土钉为钻孔注浆钉，直径100 mm，土钉长度如表1所示，土钉倾角15°，水平间距1．2 m，竖向间距1．4 m，设置每步开在基底以上0．5 m位置施工土钉。

图1 FLAC3D模型

表1 土钉长度情况 m

具体模拟过程如下:

a．未支护、纯土钉支护基坑开挖模拟过程为:建立模型，运行至初始平衡状态;开挖1．6m，运行至平衡、保存结果;开挖1．4m，运行至平衡、保存结果;重复上一步至程序运算收敛;

b．搅拌桩复合土钉支护基坑开挖模拟:建立模型，运行至初始平衡状态;设置搅拌桩;开挖1．6 m、设置土钉、运行至平衡、保存结果;开挖1．4 m、设置土钉、运行至平衡、保存结果;重复上一步至程序运算收敛。

综上，本次利用FLAC3D程序最终建立的模型以及选取的坐标系统如图1所示。

2 数值模拟结果分析

本文将对开挖未支护的基坑坡体、纯土钉支护的基坑坡体及搅拌桩复合土钉支护的基坑坡体过程进行仿真模拟，之后将获得的结果进行分析。

2．1 基坑未支护开挖模拟

基坑开挖未支护条件下，获得的结果如图2所示。

图2 基坑未支护时变形示意图

依据模拟确定的参数，计算获得直立开挖基坑的坡体自立稳定高度为3．0m。因此，模拟中基坑开挖到第二步，即开挖至－3．0 m时，开挖坡体已达到土体弹性强度极限。第三步土体开挖之后，最大不平衡力不再收敛，即表示边坡进入了塑性流动状态，位移迅速变大，最终开挖至基底后，坡体水平最大位移为2．903 m，显然坡体已经因位移过大而坍塌。

2．2 纯土钉支护基坑开挖坡体模拟

对纯土钉支护的开挖坡体模拟后获得的结果如图3所示。土钉支护就是在土体内设置一定长度和密度的土钉，它与土体协同工作形成复合土体，增强了坡体的稳定能力，从而能够支挡其后土体。

如图3所示，基坑经分步开挖到基坑底后，经土钉加固的坡体最大水平位移值为0．172 m，表明土钉复合土体具有有效控制土体位移发展的作用。

图3 纯土钉支护开挖坡体变形云图

2．3 搅拌桩复合土钉支护基坑开挖坡体模拟

对搅拌桩复合土钉支护的开挖坡体模拟后获得的结果如图4，图5所示。

图4 搅拌桩复合土钉支护开挖坡体变形云图

模拟结果经分析表明:搅拌桩和土钉组合起来形成复合支挡结构，发挥其组合支护效果，从模拟分析获得的水平位移结果如图6所示分析得知，搅拌桩复合土钉支护基坑的水平位移为0．033 m，与同条件的搅拌桩支护相比降低了87．0%，与同条件的纯土钉支护相比降低了80．8%。所以在综合运用搅拌桩与土钉墙的联合结构进行基坑支护，较单独使用时能够在控制坡体位移等方面将获得明显效果。

图5 搅拌桩复合土钉支护开挖坡体变形矢量图

图6 坑壁水平位移曲线

3 结语

1)均质土层的基坑在无支护、纯土钉支护、搅拌桩支护和搅拌桩土钉支护体系三种工况下跟随开挖进程，受影响土体的范围逐渐扩大，变化轮廓曲线呈弧形向下分布发展;

2)均质土基坑在开挖较浅，还未设立支撑时，发生朝向基坑方向的水平位移，即墙顶位移最大，墙体绕底部以下某一点向坑内倾转。随着基坑开挖深度的增加，墙体继续表现为向基坑内的三角形水平位移或者平行刚体位移，在设置支撑后，墙体水平位移趋于不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部向基坑内凸出。待开挖到最后一步到达基坑底部之后，最大位移出现在距坑底一定的高度位置;

3)在综合运用搅拌桩与土钉墙的联合结构进行基坑支护，较单独使用时能够在控制坡体位移等方面将获得明显效果。搅拌桩和土钉组合起来形成复合支挡结构，发挥其组合支护效果，从模拟分析获得的水平位移结果分析得知，搅拌桩复合土钉支护基坑的水平位移与同条件的搅拌桩支护相比降低了87．0%，与同条件的纯土钉支护相比降低了80．8%。

［1］许溶烈．对我国地基基础工程技术发展的回顾和思考［J］．施工技术，1988(4):67-69．

［2］龚晓南．关于基坑工程的几点思考［J］．土木工程学报，2005(9):15．

［3］姚爱敏，孙世国，刘玉福．锚杆支护现状及其发展趋势［J］．北方工业大学学报，2007(3):31-33．

［4］陈肇元，崔京浩．土钉支护在基坑工程中的应用［M］．第2版．北京:中国建筑工业出版社，2000:1-10．

［5］JGJ 120-1999，建筑基坑支护技术规程［S］．

［6］管 飞，尹 骥．复合土钉支护作用机理及设计原理［J］．地下空间与工程学报，2007(1):183-184．

［7］李 建．水泥搅拌桩复合土钉在基坑支护中的应用研究［D］．长沙:中南大学，2010．

［8］陈育民，徐鼎平．FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］．北京:中国水利水电出版社，2009．