西南某卵石地层深基坑变形的数值模拟研究

王文斌 张 衡 何文秀

(四川省蜀通岩土工程公司，四川 成都 610081)

西南某卵石地层深基坑变形的数值模拟研究

王文斌 张 衡 何文秀

(四川省蜀通岩土工程公司，四川 成都 610081)

以西南某卵石地层深基坑工程为例，采用FLAC3D软件对该卵石地层深基坑的变形特征进行了三维数值模拟分析，研究了卵石地层深基坑的变形特点，模拟结果表明，基坑开挖过程中，卵石地层段侧壁变形明显，位于该段的锚索受力最大，卵石地层深基坑支护重点是控制基坑侧壁卵石土体的位移。

卵石，深基坑，数值模拟

0 引言

成都地区地层结构的特点是白垩系灌口组泥岩上覆岷江冲洪积、冰水沉降形成的卵石地层。该卵石层厚度10 m～30 m，工程特性良好，常作为工程建筑的地基持力层，在基础施工过程中形成卵石地层深基坑。目前，有关成都卵石地层深基坑方面的研究成果主要是具体工程实例的设计或施工情况[1-6]，关于卵石地层深基坑变形特点的研究相对较少。本文以西南某工程深基坑为例，采用FLAC3D软件对该卵石地层基坑变形特征进行三维数值模拟分析，研究卵石地层深基坑的变形特点，指导工程施工。

1 西南某基坑工程地质条件及基坑设计

1.1 西南某基坑工程地质条件

拟建工程位于成都市三环路南三段内侧，天仁路南侧，地势平坦，周边交通发达。地貌上属岷江水系Ⅱ级阶地。

1.2 基坑设计条件

根据设计条件，场地+0.00 m高程为493.3 m，基坑开挖深度为19 m，基坑开挖尺寸及周边环境见图1。

根据本工程地下室建筑特点和周边环境情况，基坑周边布置22口管井进行基坑降水，并采用预应力锚索锚拉悬臂桩支护(见图2)。支护桩共245根，采用旋挖成孔灌注桩，桩身直径为1.2 m，桩中心距2.5 m，桩长23 m～24 m。桩身设置预应力锚索3排～4排，设计荷载200 kN～400 kN。

基坑土方开挖采用分层开挖方式，即土方开挖至预应力锚索以下0.5 m停止土方开挖，待锚索施工完成、灌浆体强度达到设计要求的最低强度后向下开挖。

2 基坑变形的数值模拟分析

2.1 基坑模型的建立

本文采用FLAC3D对基坑变形特征进行三维数值模拟分析。FLAC3D是美国ITASCA咨询公司开发的三维快速拉格朗日分析程序，可以模拟岩土或其他材料的三维力学特性，分析渐进破坏失稳以及模拟大变形，被广泛应用于当今岩土工程界[7-9]。

根据基坑开挖涉及的影响范围和特点，确定基坑模型尺寸为80 m×30 m×60 m(长×宽×深)。计算模型总共包含了单元18 000个，节点20 336个，计算模型网格见图3。

2.2 材料模型及参数

本次模拟采用空模型模拟基坑岩土体开挖，采用摩尔—库仑模型模拟普通土体和岩石的力学行为。模拟采用的岩土体力学参数见表1，表2。

表1 岩土体物理力学计算参数

表2 钢筋混凝土、锚索计算参数

2.3 边界条件和结构单元

模型设定的边界条件：固定模型四个方向的水平位移，固定模型底部的水平位移和垂直位移，使得几何模型的6个边界面中有5个面进行固定，并使其位移为0。

模型设定支护桩采用桩结构单元，冠梁采用梁结构单元，锚索采用锚索单元，桩间混凝土护壁采用壳结构单元(见图4)。

2.4 模拟思路

根据现场施工工序进行基坑变形模拟，最大程度的反映现场实际情况。基坑开挖前先计算基坑初始地应力，并将计算的位移清零，然后模拟后续的施工和开挖，模拟程序如下：第一步，构筑基坑支护桩围护结构，支护桩顶部构筑冠梁，围护体系构筑后，进行第一层土体开挖，挖深4 m；第二步，加第一排锚索，并进行第二层土体开挖，挖深4 m；第三步，加第二排锚索，并进行第三层土体开挖，挖深5 m；第四步，加第三排锚索，并进行第四层土体开挖，挖深6 m，达到基坑底部设计标高。

模型的初始地应力计算中，仅设置重力加速度；基坑开挖过程中，结合实际情况，不对基坑周边设置附加荷载；不考虑地下水的影响。

2.5 模拟结果及分析

1)基坑变形的模拟成果。a.X方向(水平向基坑内)变形。根据模拟，随着基坑开挖工作的深入，基坑土体X向位移不断增加。开挖第一步X向最大位移为1.56 cm(见图5)，开挖第二步X向最大位移为1.79 cm(见图6)，开挖第三步X向最大位移为2.20 cm(见图7)，开挖第四步X向最大位移为2.30 cm(见图8)。由X向位移云图可知：基坑开挖过程中，基坑侧壁的中上部卵石层变形明显。随着基坑开挖工作的继续，基坑侧壁位移呈现增大的趋势。开挖第一步至第三步时，变化速率增大；开挖第三步至第四步时，变化速率减小。变化速率的减小主要是由于排桩和锚索控制了基坑土体的侧向位移。b.Z方向(沉降)变形。根据模拟，基坑Z方向的变形主要体现在侧壁土体向基坑内的位移和基坑底土体的隆起竖向位移两部分(见图9)。

基坑外侧土体的沉降随基坑开挖总体呈增大趋势，开挖第一步时沉降量为0.39 cm，开挖第三步的沉降量为0.53 cm，第四步沉降量为0.61 cm(见图10)，但总体沉降量不大。

由Z向位移云图可知：基坑的开挖过程中，基坑竖向位移的量值和变化均不大，基坑外土体的沉降在开挖第四步时为0.61 cm，基坑内部土体的隆起量为2 cm～3 cm。排桩和锚索限制了基坑侧壁土体的侧向位移，限制了基坑的沉降量。基坑侧壁土体沉降的特点是产生沉降的最大部位不在基坑边缘，而在距基坑边一定的距离，这个距离为6 m～10 m。

2)锚索轴力计算成果分析。锚索作用于支护桩，因此锚索的受力大小直接反映支护桩的受力和变形状态。模拟过程中根据设计资料进行加载，第一排、第二排、第三排锚索施加的预加轴力分别为400 kN,300 kN,200 kN。

基坑开挖第四步时，第一排锚索轴力为2.97×105kN，第二排锚索轴力为3.47×105kN，第三排锚索轴力为2.75×105kN。第一排锚索轴力比预加轴力小，第二、三排锚索则较预加轴力大。

三排锚索中第二排锚索受力最大，说明基坑侧壁中间偏上部位受力最大，变形最明显。该部位为卵石层所在区域，与前述基坑水平位移在该部位变化最大紧密联系。

3)基坑稳定性分析。根据数值模拟，基坑土体X向位移最大值为2.30 cm，基坑顶部土体Z向位移(沉降)最大值为0.61 cm，满足GB 50497—2009建筑基坑工程监测技术规程要求的设计控制值和竖向位移报警值，基坑工程的稳定性较好。

3 结语

1)随着基坑开挖，基坑侧壁位移呈现增大的趋势。基坑开挖过程中，卵石层位侧壁变形明显，位于该区域的锚索受力最大。2)基坑内部土体的隆起量为2 cm～3 cm。基坑外侧土体的沉降随基坑开挖呈增大趋势，最大沉降量为0.61 cm。沉降变形最大的部位不在基坑边缘，而在距基坑边界6 m～10 m的区域。3)卵石地层基坑支护重点是控制基坑侧壁卵石土体的位移，基坑土体隆起一般不进行特别防护。4)预应力锚索锚拉悬臂桩的支护方式对卵石地层基坑支护有效。基坑降水能有效的降低围护结构的水平压力，对控制基坑变形、保证基坑稳定性很重要。

[1] 陈盛金.成都地铁春熙路站砂卵石地层深基坑工程变形规律研究[D].成都：成都理工大学硕士学位论文，2011.

[2] 曹艳霞.深基坑开挖引起变形的数值模拟研究[D].武汉：华中科技大学硕士学位论文,2008.

[3] 李庆海.浅谈砂卵石地区深基坑支护结构设计[J].西部探矿工程,2005,6(111):40-41.

[4] 高宝春.成都地区砂卵石地层建筑基坑回弹观测[J].建筑技术，2006(19)：110-112.

[5] 李建强.成都地铁岩土工程勘察[J].隧道建设,2008,28(1):34-39.

[6] 李国杰.成都地铁天府广场深基施工力学分析[D].成都：西南交通大学硕士学位论文,2005.

[7] 刘 波,[美]韩彦辉.FLAC原理、实例与应用[M].北京：人民交通出版社,2005.

[8] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[9] 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.

Numerical simulation research on deformation of gravel stratum deep foundation pit in southwest of China

Wang Wenbin Zhang Heng He Wenxiu

(SichuanShutongGeotechnicalEngineeringCorporation,Chengdu610081,China)

Taking southwest a gravel stratum deep foundation pit engineering as an example, using FLA3D software made 3D numerical simulation analysis on the deformation features of the gravel stratum deep foundation pit, researched the deformation characteristics of deep foundation pit gravel stratum, the simulation results showed that, in deep foundation pit excavation process, the side wall deformation of gravel stratum section was obvious, the cable force was biggest located in the segment, the focus of gravel stratum of deep foundation pit support was control of the displacement of foundation pit side wall gravel soil.

gravel, deep foundation pit, numerical simulation

2015-01-29

王文斌(1982- )，男，工程师； 张 衡(1982- )，男，工程师； 何文秀(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)10-0062-03

TU463

A