基于FLAC3D的深基坑土钉墙支护数值模拟

周浩文 邱丁山 邹先义

摘 要：以某小学深基坑工程为例，通过FLAC3D建立了基坑开挖的三维模型，对基坑开挖过程及土钉墙支护进行模拟，分析了水平位移及土钉墙受力特点，水平位移随开挖过程不断增大，沿基坑深度呈“C”型分布，最大位移达18mm;土钉最大应力在靠近坡面位置，混凝土面层弯矩沿深度逐渐增大。研究表明，土钉墙支护方案是可行，能够有效地抑制基坑变形，保证基坑的安全稳定。

关键词：深基坑;土钉墙;FLAC3D;数值模拟

中图分类号：TU476 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）05-0132-03

Abstract： Taking a deep foundation pit project in a primary school as an example， a three-dimensional model of foundation pit excavation was established by FLAC3D， and the process of foundation pit excavation and soil nailing wall support were simulated. The horizontal displacement and the stress characteristics of soil nailing wall were further analyzed. The horizontal displacement increased with the excavation process and distributed in a "C" shape along the depth of foundation pit， with the maximum displacement reaching 18mm. The maximum stress of soil nail was near the slope， and the bending moment of concrete surface layer increased gradually along the depth. The research shows that the soil nailing wall support scheme is feasible， which can effectively restrain the deformation of foundation pit and ensure the safety and stability of foundation pit.

Keywords： deep foundation pit;soil nailing wall; FLAC3D;numerical simulation

随着城市建设规模不断扩大，深基坑工程越来越多。土钉墙支护具有施工方便、经济可靠等特点，在基坑施工中应用较广[1]。但是，对于基坑的稳定和变形分析往往是通过工程经验总结，不能定量地对基坑安全进行评价[2]。FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Contunua）程序是由美国ITASCA咨询集团公司开发的三维显式有限差分程序，目前已广泛用于岩土工程的数值分析[3]。该程序内置了11种材料本构模型，包含1种空模型、3种弹性模型和7种塑性模型，其中，空模型非常适用于基坑开挖模拟;其丰富的结构单元如梁单元、锚索单元、桩单元、壳单元、土工格栅单元、衬砌单元等可以模拟基坑工程中各种常见的支护结构形式。本文基于FLAC3D三维有限差分程序，建立了某深基坑土钉墙支护FLAC3D模型，对基坑开挖过程进行定量分析，以指导实际工程施工，辅助工程决策。

1 工程概况

四川省遂宁市某小学深基坑工程，基坑深6m，施工场地地层由上至下主要为粉质黏土层，卵、砾石层和强风化泥岩层，产状水平，土层参数见表1。考虑到基坑开挖可能会产生较大变形，采用土钉墙对深基坑进行支护，结合实际地质情况，共设置4层土钉，入射角度15°，长度9m，土钉采用B20二级螺纹钢筋，水平间距和垂直间距均为1.5m。

2 三维有限差分模型

研究表明，模型影响范围按左边界至坡脚的距离取1.5H（基坑深度），坡顶至右边界取2.5H，坡顶至底部取2H较为合理[4]。模型两侧限制水平位移，底部固定，首先求解初始应力场至平衡态，然后分4步开挖，每步开挖1.5m，开挖后施加土钉和混凝土面层，土钉施加于距离每次开挖坡底0.5m处。

土体的本构模型采用基于Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性模型。土钉采用Cable单元模拟，FLAC3D中的Cable单元由多个两节点之间具有相同截面积及材料参数的直线段构件组成，为弹塑性材料，可以受拉和受压，但不能抵抗弯矩，能较好地模拟土钉的力学性能;混凝土面层（C20，厚度100mm）采用Shell单元模拟，Shell单元由多个3节点等厚度三角形构件组成，每个构件可视为各向同性的线弹性材料，且无破坏极限，适用于模拟忽略横向剪切变形的薄膜结构[5]，此处用来模拟土钉墙的混凝土面层较为合适。FLAC3D深基坑支护模型见图1。

3 计算结果

3.1 位移分析

根据计算结果可知，基坑边坡水平位移随着开挖的进行逐渐增大，水平位移的形态沿着基坑深度呈近似“C”型分布，中间大，两头小，基坑深度2～4m变形较大;第4步开挖时（即开挖4.5～6.0m时），距离地表2.5m处水平位移最大，达17.1mm，相对位移为0.3%，未达到国家规范《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497—2009）要求的预警值。可见，该支护方案是可行的。为了确保基坑时刻处于安全稳定的状态，实际施工时应密切关注中间部位的水平位移，加强监测，必要时对局部区域进一步进行加固。各开挖步基坑水平位移随深度变化关系如图2所示。

3.2 土钉墙受力分析

基坑开挖完成后，各层土钉应力及混凝土面层最大弯矩分布如图3所示。从图3可知，各層土钉应力最大值位于靠近坡面约1m处，第三层土钉受力最大，应力达105.8MPa，但仍在屈服极限范围内。面层弯矩基本上随着深度逐渐增大，最大值位于距离坡脚0.5～1.0m处，最大弯矩达7.89kN·m。

4 结论

本文以某学校深基坑为例，通过FLAC3D建立了深基坑开挖和土钉支墙护的三维有限差分模型，模拟了基坑开挖动态过程，对基坑水平位移和土钉墙受力情况进行分析。计算结果表明，土钉墙支护方案是安全可靠的，能有效抑制基坑变形，维持基坑稳定，对实际工程施工具有重要的指导意义。

参考文献：

[1]罗晓辉，何立红. 基坑开挖土钉墙支护稳定性的优化分析[J]. 岩土工程技术，1998（3）：9-13.

[2]马宏，季聪，杨瑞刚，等.利用FLAC3D对基坑支护数值模拟分析[J].世界地质，2013（4）：857-861.

[3]Itasca Consulting Group， Inc. FLAC3D users manuals[M]. USA： Itasca Consulting Group Inc，2003.

[4]张鲁渝，郑颖人，赵尚毅，等.有限元强度折减系数法计算土坡稳定安全系数的精度研究[J].水利学报，2003（1）：21-27.

[5]陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].2版.北京：中国水利水出版社，2013.