基于FLAC3D的深基坑变形规律研究

杨 坦，蒋亚龙，金 鹏，陈雅君

(1. 安徽新华学院 建筑结构安徽省普通高校重点实验室，合肥 230088；2.安徽新华学院 土木与环境工程学院，合肥 230088 3.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南232001)

随着我国建筑行业的快速发展，建筑基坑开挖规模和深度不断扩大，其施工活动面临复杂地质条件、临近建筑荷载以及受限场地空间等因素的影响，施工安全问题越来越突出，这一问题引起了工程建设者的广泛关注。然而，基坑工程因其独特的工艺和组织特点，难以直接开展开挖实验模拟。分析现有文献，直接开展基坑开挖支护实验研究的论文数仅68篇，与此同时通过采用各类数值模拟方法进行深基坑开挖支护活动安全问题研究的论文数量达1800余篇，可见数值模拟研究已经成为基坑安全问题研究的主流手段。唐咸远[1]采用ABSQUS有限元分析方法对钢管桩、树根桩两种型桩复合土钉支护方案在深基坑支护的效果及基坑开挖变形情况进行了模拟，得到了基坑变形的一般规律；张玉琦[2]采用LSDYNA动力有限元数值计算方法对武汉某高层建筑爆破活动对临近建筑的影响进行分析，得到了爆破振动作用下基坑支护结构的动力响应特性；陈小雨[3]以相邻深基坑为工程背景，采用PLAXIS有限元分析软件构建了相邻基坑数值计算模型，对基坑安全距离的各影响因素开展了规律研究；马银阁[4]采用MIDAS软件分别构建了深基坑和临近管线数值模型，并分析了深基坑开挖活动对地下管线变形的影响规律，为深基坑开挖方案的必选提供了理论依据。学者们对基坑开挖支护数值模拟主要从支护结构变形、动荷载影响、临近基坑相互作用以及基坑开挖对临近建筑物和地下管线的危害等角度开展研究，但对深基坑开挖支护过程的基坑应力应变情况，并未做深入讨论。由于深基坑开挖支护活动中基坑土体和支护结构应力应变状态是一个连续过程，对基坑施工活动安全的影响是一个持续过程，因此结合具体施工方案开展基坑开挖支护过程数值模拟研究很有必要。本文针对某深基坑开挖支护方案，采用FLAC3D有限元分析软件进行过程模拟，对指导深基坑开挖支护方案设计及具体施工过程具有较大的实用价值。

1 工程概况

工程位于合肥市的玉兰大道与望江西路交口，交通十分方便。所建工程总层数为28层，包括地上26层和地下室2层。所建的建筑物高度90 m，长50 m，宽42 m，开挖-12 m。采用的结构为钢筋混凝土剪力墙框架，基坑邻近的建筑物较多，且地下管线密集，重要等级为二级。

1.1 地质条件

拟建工程区域属于华北地层区鲁西地层分区的长丰小区(中新生代沉积区)为巨厚的中、新生代陆源碎屑岩堆积区，地表为第四纪棕黄、褐黄色黏土、亚黏土所覆盖。区域地层基本特征表明，区域岩浆活动不强烈，仅晚白垩纪晚期表现为基性岩浆的火山喷溢活动形成火山岩，并伴随大量脉岩生成。区域处于新华夏系第二隆起带和秦岭纬向结构带、淮阳山字形前弧东翼的复合部位。主要断裂构造为蜀山断裂，产状分布为东西走向，经合肥市区南侧、合肥-店埠公路背侧，向东延伸长度47km。断裂晚侏罗世周公山组，北侧为晚北垩世张桥组，大蜀山、小蜀山火山口受其控制，断裂切割较深。

1.1.2区域气象概况

拟建工程区域属于亚热带季风气候，气候相对温和，气温最高的温度是41 ℃(2015)，最低-10.6℃(2008)，全年平均气温是15.7 度，平均降雨量900～1000 mm，夏季降水较集中，3～4月霪雨季节，晴天较少。

1.1.3水文条件概况

综合合肥市地下水的赋存条件、水力性质及地层岩性组合特征，将本区的地下水划分为三种基本类型，松散岩类孔隙含水岩组、碎屑岩类裂隙孔隙含水岩组、岩浆岩裂隙含水岩组。其中工程拟建区域主要为岩浆岩裂隙含水岩组，水资源量极贫乏。地下水补给主要依靠大气降水，受地下水位埋深(>10 m)影响，地下水补给困难，通常依靠地下径流和水库进行补给，夏季多雨期河流的补水作用也有所提高。

1.1.4岩土体工程地质特征

根据区内地层成因类型、岩性结构和岩土体工程地质特征等，将调查区分为岩体和土体两类，岩体主要以坚硬块状火山喷发岩岩组为主，由辉绿玢岩、玄武岩、安山岩组成，岩石呈块状结构，密度、强度及弹性较高，孔隙率低，地基承载力良好。土体主要由上更新统下蜀组(Q3X)的粘土、粉质粘土组成，又称老粘土，厚度一般在5～10 m，多由两层以上的粘土、粉质粘土、砂土及粉土组成。分布区域很广，地貌形态呈现为波状平原、平原。土体多呈坚硬-硬塑状，地基承载力特征值250～400kPa，工程地质性质良好，各层岩土体工程力学参数见表1。

表1 各层岩土体物理学参数

1.2 施工方案设计

拟建工程基坑长50 m，宽42 m，高12 m，采用直壁开挖加支护的方式进行施工，施工过程中依据分层、分段、适时的原则，对开挖方案进行了分层开挖设计，共分为三层，分层厚度分别为3 m、

也曾记得，1998年法国世界杯，我半宿爬起来看球赛，第二天累得头晕眼花。岳父说，看那个（球赛）有什么意思啊？能顶吃啊，还是能顶喝啊。我笑笑，觉得岳父不懂年轻人的心思。现在，自己也活到了务实的年龄，为了一场球赛，不敢也不愿那么拼了。

4 m和5 m。具体开挖方案见表2。

表2 某拟建工程深基坑工程施工工艺方案表

1.3 支护方案设计

基坑支护结构先加入沉箱壁然后采用“排桩和锚杆”模式，排桩和锚杆支护如图1所示。由于基坑周边地势起伏不大，支护桩采用统一参数进行设计，即桩长24 m，南北向桩间距2 m，桩数10根，东西向桩间距1 m，桩数12根。锚杆设计采用三种不同规格，主要参数如表3所示。桩间支护面层为钢筋网混凝土，强度为C20，厚度50～80 mm，钢筋网片网格尺寸为6.5@200×200双向，面层采用喷射细石混凝土。

图1 基坑支护系统示意图

表3 锚杆的参数

2 基坑开挖支护过程数值模拟

2.1 FLAC3D有限元分析软件在基坑工程开挖支护模拟中的应用

采用FLAC3D对深基坑支护结构进行模拟计算，并且按照工程施工的相关规范和标准，根据施工现场地质状况和周边环境影响进行设计参数确定，结合相关基坑支护方案设计施工经验初步确定本方案。采用全局建模，整体先加入沉箱壁然后施加排桩和锚杆支护结构。对模拟计算结果的基坑支护前、后各方向位移的变化进行详细的分析，以此来判定支护方案的稳定性。

2.2 计算模型及参数

由于基坑土层各向差异不大，且基坑开挖活动中，长度方向所受到的影响约为基坑深度的3～4倍，宽度方向所受影响约为基坑开挖深度的2～4倍[4]，结合数值模拟的实际需求，在建立分析模型时，只截取尺寸为50 m×42 m×28.5 m(长×宽×深)的区域建立初始模型，其形状和尺寸如图2所示。土体模拟选择摩尔库伦模型，沉箱采用Beam单元[5]进行模拟，排桩支护结构等效为厚度为1 m的连续挡墙，锚杆选择Rock Bolt[6]单元模拟，同时在模型中沉箱与排桩及锚杆支护体的连接采用刚性节点方式进行连接，即假设节点处各向自由度为0[7]，不同类型结构单元可以实现各向自由度上的应力传递。

根据各层岩土体物理学参数得出基坑初始应力云及基坑最大不平衡力曲线如图3所示。

图2基坑数值模型

2.3 模拟数据分析

基坑开挖支护数值分析过程依据1.2节制定的开挖支护方案进行模拟，模拟结果如图4～8所示。

图3 基坑初始应力云图及最大不平衡力曲线图

图4 第一次开挖支护前、后z方向位移变化图

图5 第二次开挖支护前、后z方向位移变化图

图6 第三次开挖支护前、后z方向位移变化

图7 第三次开挖支护前、后x方向位移变化图

3 模拟结果分析

由图3可知基坑初始模型应力情况符合模拟要求，最大不平衡力经急速下降过程后呈缓慢下降直至平衡状态，说明依据工程特点所建立的基坑初始模型合理。

根据塑性圈理论基坑开挖后，土体应力重分布，导致塑性圈外侧弹性区土体产生较大的位移，体现在基坑周边土体沉降和坑底土体隆起现象，故在基坑开挖前后重点对z方向位移进行分析。

从第一次开挖支护前、后z方向位移变化如图4所示，可以得到支护前z方向出现的位移量为5.89 mm，支护后z方向出现的位移量为6.03 mm。这种现象很正常，是由于加支护后土体底部发生隆起现象。从第二次开挖支护前、后z方向位移变化图如图5，支护前z方向出现位移量11.54 mm，支护后z方向出现位移量11.13 mm。可以看出基坑隆起的位移量增加。从第三次开挖支护前、后z方向位移变化图如图6，支护前z方向出现位移量12.23 mm，支护后z方向出现位移量12.15 mm。可以看出基坑隆起的位移量减小。根据基坑支护位移规范，一般的基坑支护结构最大位移量以不大于20 mm为标准。可以看出三次基坑隆起增加的位移量都在标准的范围内。

由于第一次开挖和第二次开挖的深度较小，土体自重荷载影响较小，引起x方向和y方向土体发生位移的变形量不大，所以只需对第三次开挖支护x方向和y方向的位移的变化量进行分析。从第三次开挖支护前、后x方向位移变化图如图7，支护前x方向出现的位移量为12.46 mm，支护后x方向出现的位移量为12.13 mm。从第三次开挖支护前、后y方向位移变化图如图8 ，支护前y方向出现的位移量为12.45 mm，支护后y方向出现的位移量为12.11 mm。可以看出第三次x方向和y方向的变形量不大，进一步说明基坑支护的稳定，但仍需预防侧向变形引起的地表沉降等问题。

4 结论

(1)深基坑施工采用分层开挖方案，分三层开挖，分别开挖至-3 m、-7 m和-12 m，支护采用排桩结合锚杆支护体系，每层开挖后随即完成支护工作，基坑开挖支护方案合理。

(2)基坑开挖支护至-3 m时，支护前后Z向变形分别为5.89 mm和6.03 mm，这一现象表明基坑底部隆起现象明显；开挖支护至-7 m时，支护前后Z向变形分别为11.54 mm和11.13 mm，坑底隆起速率得到控制；开挖支护至-12 m时，支护前后Z向变形分别为12.23 mm和12.15 mm，坑底隆起速率继续下降，变形量符合标准。

(3)基坑开挖深度较小时，土体侧向变形较小，可以忽略。基坑开挖至-12 m时，土体侧向变形量有所增加，支护前后X向变形分别为12.46 mm和12.13 mm，Y向变形分别为12.45 mm和12.11 mm，说明深基坑侧向变形量虽符合标准要求，但仍需预防侧向变形引起的地表沉降等问题。