基于 FLAC3D 的深基坑桩锚支护数值模拟分析

陈 莘，时贤龙

（南京市市政工程质量安全监督站，江苏 南京 210036）

0 引言

随着国民经济建设步伐的加快，高层建筑、城市地下交通以及大型地下市政设施的兴建使得基坑工程深度、宽度和体积在不断变大［1］，因此对基坑工程的支护体系不断提出更高的要求，不仅要确保坑壁自身的稳定性，还需要确保相邻建筑和基础设施的安全稳定［2］。

本文对深基坑的桩锚支护设计进行研究，针对具体工程，采用FLAC3D软件对支护结构模拟分析，分析基坑的最大不平衡力、水平位移以及锚杆轴力的变化规律，进而对支护结构进行优化，为类似工程中支护结构设计优化提供参考。

1 项目概况

1.1 工程概况

该工程为南京某地下空间及其配套附属设施，位于南京市秦淮区，拟建场地基本平坦，东西约 60 m、南北约 90 m。建筑总用地面积 7 478.57 m2，总建筑面积 47 846.54 m2，其中地上建筑面积 25 385.26 m2，地下建筑面积 22 461.28 m2。地下建筑 5 层，地上建筑 12层。基础采用筏板基础，埋深 ±0.00 以下 30.10 m（局部埋深 31.70 m），基础筏板应力约为 350 kN/m2。设计室内 ±0.00 标高为 47.20 m，室内外高差为 0.30～0.60 m。施工场地地质条件如表 1 所示。

1.2 基坑支护方案

施工场地开挖深度 29.10 m，综合考虑现场周边环境、道路及水文地质条件，确保坑壁稳定、施工安全［3］，经过分析、比较，工程的支护方案划分为 7 个剖面支护。具体基坑支护平面布置如图 1 所示。

图1 基坑支护平面布置图

各剖面支护方案为：标高 43.50 m 以下用钢筋混凝土灌注桩+锚杆支护，灌注桩桩长 33.80 m，桩底标高 8.90 m，嵌固深度 8.0 m，桩径 1 200 mm，间距1 600 mm；灌注桩顶设一道钢筋混凝土冠梁，冠梁截面尺寸 1 400 mm×900 mm，冠梁顶标高 43.50 m；桩顶冠梁以上采用 370 mm 厚砖砌挡土墙，墙内设构造柱，构造柱截面 370 mm×250 mm，墙顶设置压顶梁，压顶梁尺寸 370 mm×300 mm；自桩顶冠梁以下，共设置 6 道或 7 道预应力锚杆，第一道锚杆锁在冠梁上，其余锚杆均锁在钢腰梁，如剖面 A-B 的锚杆设计参数如表 2 所示。

表1 各层土的物理力学性质指标统计表

表2 A-B 剖面锚杆设计参数表

2 FLAC3D数值模拟

2.1 模型建立

简单快捷经济的数值模拟常被应用于基坑开挖和支护工程［4］。本文运用 FLAC3D软件进行数值模拟，选用 Morh-Coulomb 本构模型，依据地勘资料计算并确定土层参数，确定模型的边界条件以及初始应力条件。为了除去边界效应的影响，根据工程实际经验［5］，工程模型计算范围选取基坑底部以下 2 倍的开挖深度，影响的宽度取开挖深度的 2 到 3 倍。据此，模型在 X 方向取 80 m，在 Y 方向上取 1.6 m，Z 方向上取 50 m，共划分16 000 个单元网格，分析模型和开挖土体示意图如图 2 所示，图中开挖部分不同颜色从上到下为第 1 步开挖至第 7 步开挖。

图2 分析模型和开挖土体示意图

桩锚支护结构的模拟中锚索用 Cable 单元模拟，支护桩用 Pile 单元模拟。本模拟过程采用的七道锚杆加护坡桩支护，如图 3 所示。因为早在基坑开挖之前就进行了有效的井点降水施工，所以此次数值模拟过程就没有考虑地下水对模拟过程的影响。

2.2 最大不平衡力分析

基坑结构中最大不平衡力模拟结果如图 4 所示。

图3 支护结构示意图

图4 基坑结构最大不平衡力趋势

从图 4 中可以看到，基坑开挖施工中每一次开挖都会伴随着最大不平衡力跳跃情况的发生，经过对深基坑进行桩锚支护之后，最大不平衡力又会逐步恢复到平衡的状态。本工程中第六步开挖过程中的最大不平衡力达到最大值，这时基坑的状态应该是处在一个相当不稳定的状态下，通过仔细分析这个状态下监测信息及资料，用得出的分析结果来指导施工过程，从而保证基坑的稳定性以及施工的安全性。

2.3 基坑壁水平位移分析

本工程分七步开挖，第一步和第七步的基坑壁水平位移云图如图 5 所示，七步开挖基坑壁水平位移变化曲线如图 6 所示。

图5 基坑第一和第七步开挖的水平位移云图

图6 七步开挖基坑壁水平位移变化曲线

由图 5 和图 6 可以看出，在桩锚支护结构的作用下，深基坑壁的水平位移沿深度的增大先是逐渐地变大，随后又逐渐变小。将模拟数据与现场实际监测数据进行对比，第一步开挖在支护作用下基本没有发生水平位移，第二步开挖基坑侧壁的水平位移最大值是1.24 mm，监测数据为 1.33 mm；第三步开挖水平位移最大值是 2.00 mm，实际为 2.08 mm；第四步开挖水平位移最大值为 3.23 mm，实际为 3.18 mm；第五步开挖水平位移最大值是 9.00 mm，实际为 8.93 mm；第六步开挖水平位移最大值是 14.97 mm，实际为 15.06 mm；第七步开挖水平位移最大值是 32.55 mm，实际为 32.46 mm，模拟的数值与实际监测值接近，说明了模拟过程的正确性。

根据以上数值模拟结果可知，基坑壁的水平最大位移的位置，并不是在基坑的顶部，随着基坑的开挖，位移的最大值的位置在不断向基坑的中下部移动。最大位移的位置随基坑深度加深而增大，所以在现场每一步开挖完成后需要及时进行锚杆施工，来控制位移的发生。

2.4 锚杆轴力分析

第二道和第七道锚索轴力变化模拟曲线如图 7 所示。

从图 7 可以看出，同一锚索的轴力的分布并不是很均匀，轴力最大值出现在自由段，但是随着锚固段的延伸，杆轴力会逐渐地减小并且趋近于零，这与实际监测的轴力也接近。从该模拟结果可知，在预应力锚杆充分发挥承载能力的过程中，锚固段在比较浅层的土体中承载能力将会得到有效的发挥，而锚固段深层土体的承载能力的发挥将会随着基坑深度的增大而逐步减小。

图7 锚索轴力变化曲线

3 结论

本文通过 FLAC3D软件对实际工程的深基坑桩锚支护进行数值模型分析，并与实际监测数据进行对比基本吻合，说明该软件模拟的合理性。本文中通过模拟分析可知：基坑壁的水平最大位移的位置随着基坑的开挖不断的向基坑的中下部移动；同一锚索的轴力的分布并不是很均匀，轴力最大值出现在自由段。通过模拟分析结果可用于指导现场施工，为实际施工过程的优化设计及安全控制提供有效的实用价值。