基于Python的FLAC3D基坑土钉受力统计分析

张浩 中设科欣设计集团有限公司南京港航工程分公司

董勤学 南京智航工程技术咨询有限公司

1.引言

随着经济社会的发展，基坑工程建设数量越来越多。基坑工程复杂，若支护体系失稳及变形超出承受范围，将导致基坑周边建筑物及设施发生破坏，可能造成严重的后果。土钉具有施工机具灵活、工艺简单、场地影响小、适用于狭窄空间等特点，已成为基坑中最常用的支护形式之一，基坑土钉受力分析对保障基坑安全稳定具有重要的意义。

FLAC3D是一款基于连续介质理论和显式有限差分方法开发的软件，广泛应用于岩土工程力学分析，其内置多种结构单元，非常适用于基坑及相关支护结构的模拟，在多个工程领域基坑中广泛应用。FLAC3D内置fish语言，能够实现多种信息控制统计分析，但对于复杂结构的统计则需要编写大量的代码，对于土钉等一维结构Cable单元使用遍历统计存在可能低估受力分布的问题。FLAC3D新嵌入的Python语言，进一步拓展了相关统计分析能力，相关学者通过编写Python程序，拓展了岩土工程相关问题的解决效率及思路。

本文针对fish语言对Cable结构单元受力统计的缺点，利用Python语言实现每根Cable单元最大受力Element获取，并对最大受力位置进行云图展示及统计分析，实现基坑土钉支护受力统计分析及合理评估，最后通过工程案例介绍该方法在码头基坑中的应用。

2.FLAC3D Cable单元土钉模拟

通过在土体内钻孔安装一定长度及分布密度的土钉，与土体共同作用以弥补土体强度的不足，达到延迟塑性变形的发生，提高基坑稳定性的作用。同时，结合在基坑边坡表面设置钢筋网及喷混形成土钉墙技术。

FLAC3D内置的Cable单元由几何参数、材料参数和水泥砂浆特征来定义，其可以较好地模拟借助于水泥沿其长度提供抗剪能力的支护，因此，可以采用Cable单元来进行土钉的模拟。

FLAC3D Cable单元通过一维本构模型描述，轴向刚度采用式（1）计算，图1为Cable单元材料受力特性，可以指定材料抗拉、抗拉强度。在Cable单元达到极限轴向应变时，将发生破坏。Cable单元还可以通过设置砂浆剪切强度、粘结强度、摩擦角、外圈周长等参数来模拟土钉与土体之间的粘性及摩擦作用。

图1 Cable单元材料受力特性

式中，A 为截面面积；E为杨氏模量；L为单元长度。

3.FLAC3D Fish及Python土钉受力统计方法

基坑采用土钉支护示意如图2所示，土钉采用Cable单元模拟，由于土钉长度、分析模拟网格尺寸的差异，每一根土钉分成了多个Element单元，每根土钉包含的Element的数量和长度通常不同，忽略该特点将影响土钉支护结构的受力统计分析结果。

图2 基坑土钉支护示意图

利用fish语言进行土钉受力统计时，一般采用loop foreach的方式，该种方式将对所有的Element进行遍历，对所有Element的受力进行统计，该种方式存在如下的缺陷，1)受力统计中通常更关注每根土钉的最大受力及位置，整体统计无法区分最大受力；2）由于土钉被分成了多个Element，部分Element受力较小，整体统计时倾向于低估土钉的整体受力范围；3）无法较好地对统计数据进行可视化展示。利于fish解决这些问题需要对模型及程序进行复杂地操作及编写，复杂结构实现难度大。

应用FLAC3D内置的Python语言将能够较好地发挥其对数据存储、分析处理、可视化的优势，通过存储每个E lement单元的起始位置，进一步利用起始位置分析判断哪些Element属于同一根土钉，从而获取每一根土钉的最大受力Element并以此进行统计分析及可视化展示。从而，弥补fish统计方法的缺点。

4.FLAC3D Python土钉受力统计在码头基坑应用

本文采用FLAC3D建立了某码头基坑数值分析模型，基坑采用土钉墙支护方式，模型包含节点202878个，单元192500 个，模型除上表面自由外，底面采用固定约束，其余边界均为法向约束。各土层采用莫尔库伦本构模型，土钉采用Ca ble单元，基坑坡面喷混采用Liner单元。

基坑开挖深度为10m、坡角为75°，从上至下采用9排直径50mm土钉，前3排土钉长为5m，中间5排土钉长为8m，靠近坡角位置采用1排10m长土钉，土钉间排距1.5m。有无土钉墙支护作用下的基坑变形如图3所示，无支护情况下基坑边坡最大变形约为4cm，采用土钉墙加固后，变形减少至约2cm，可见土钉墙支护发挥了明显的作用。

图3 基坑土钉墙支护前后变形对比

基坑共计采用297根土钉，2145个Element单元，基坑开挖完成土钉受力如图4（a）所示，可见最大受力约24.1MPa，位于基坑中部一排土钉，fish对所有土钉Element进行遍历统计获得的土钉受力分布如图4（b）所示，可见土钉受力主要集中在5MPa，约为620个Element。

利用Python程序获得的每根土钉最大受力如图5（a）所示，较好地展示了每根土钉的最大受力位置，进一步对297根土钉最大受力值进行了统计如图5（b）所示，可见土钉在15 MPa的数量较多，约为70根。

图4及图5的土钉受力统计对比可见，fish语言的统计方式低估了土钉的主要受力范围，可能影响对土钉受力的评估。Python语言的结果基于每一根土钉最大值，能够更好地评估土钉受力分布。

图4 基坑土钉支护受力及fish语言受力统计

图5 Python基坑土钉支护最大受力展示及统计

5.结论

本文针对FLAC3D fish语言对于Cable单元受力统计的不足，利用FLAC3D内置的Python语言，编写了土钉最大受力统计分析程序，并结合工程实例，介绍了该方法在码头基坑中的应用，更好地展示了土钉最大受力位置，避免了低估土钉主要受力分布范围的问题，为FL AC3D在复杂码头基坑工程支护分析提供了新的思路。