基于FLAC3D的深基坑开挖过程地表沉降及围护结构受力数值模拟研究

张 程

（重庆市勘测院，重庆 401120）

0 引言

针对深基坑开挖的变形特性与应力分布规律研究一直是学者与工程师关注的重点与焦点问题[1,2]。众多研究[3-4]表明基坑工程由于地域性与岩土体的变异性，即使是同种开挖方案与支护方案，不同基坑也会出现不同的变形与受力。因此，基坑开挖过程存在诸多不确定性，对周围环境变形的影响因素多且复杂。为了掌握基坑工程支护开挖中地表沉降及围护结构受力情况，本文以苏州市某商业建筑基坑工程为研究对象，基于FLAC3D 有限差分软件，对基坑支护开挖全过程进行数值模拟计算，分析了其变形与应力分布特征，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

苏州市吴江区经济技术开发区庞金路东侧、云梨路南侧地块，主要建设3 栋高层及地下附属车库，基坑支护总周长约594.39m，总开挖面积约为19818.24m2，采取分区开挖形式，基坑开挖深度为13m。基坑施工环境条件复杂，对围护结构变形控制要求较高[1]。拟建场地的地层，主要由黏性土及粉土、粉砂组成，呈水平成层分布。基坑各土层物理力学参数见表1。

表1 地层物理力学参数

2 基坑开挖模拟计算模型

2.1 模型建立

结合上述基坑环境、平面布置图及场地水文地质资料，取1#基坑接近厂房大门的角落位置呈“L”形状，采用Rhino 软件建立数值计算模型，再使用FLAC3D 有限差分软件进行开挖过程模拟计算。本次计算模型长宽高分别为42m、42m、22m，模型共203009 个节点，1198979 个单元，361 个组；采用摩尔库伦本构模型，截取建立的基坑模型中，共有21 根桩，每根桩直径为0.8m，桩芯之间间隔2m，数值计算的土层、桩及挡墙的三维模型见图1所示。

图1 三维数值计算模型

为了获得基坑附近的地表沉降值，在基坑围护桩施工之前，分别在基坑东侧与南侧的1m、10m处向基坑外马路方向1m、2m、5m、10m、15m 处布置监测点监测周围地表沉降，为了方便描述，分别对4 条监测点所在的直线命名为监测线1、监测线2、监测线3、监测线4，其每条线上监测点离基坑由近到远分别为监测点1、监测点2、监测点3、监测点4、监测点5。

2.2 施工工况及计算步骤

该工程立柱桩采用钻孔灌注桩，直径800mm。在数值计算过程中，对施工工艺进行简化。模拟中先对基坑南侧的桩及挡墙进行开挖施工，再对东侧桩与挡墙进行开挖。为了方便表述，对桩进行1~21#依次编号，如图1 所示，图中部分桩号省略。整个基坑开挖计算过程步骤多，必须把握以下几点：

（1）施加地层自重，建立初始地应力平衡；

（2）保留土层自重应力，消除位移场；

（3）对桩位置土体进行开挖，计算平衡；

（4）将桩开挖位置采用弹性本构恢复实体单元，模拟桩基浇筑混凝土，再次计算平衡；

（5）进行基坑内部土体开挖，开挖至-12m，分5 层开挖。前两层每层2m，后三层每层开挖3m。

3 结果分析

3.1 围护结构变形分析

根据上述模拟步骤分别获得了每步施工过程中的位移及位移等值云图。由于篇幅限制原因，本文在桩基础开挖施作工艺过程的位移云图仅给出了1#、4#、7#、10#桩开挖施作以及11#桩两侧挡墙开挖施作完成后的X、Y方向的位移云图，如图2所示。由图2可以看出，在最开始进行桩开挖及浇筑过程中，对地层的位移扰动很小；随着桩、挡墙的不断开挖与浇筑地层向桩孔中心变形不断增大，表明桩开挖过程中易形成塌孔的风险，在成孔过程中应及时进行泥浆护壁并及时浇筑混凝土[2]。

图2 桩、挡墙开挖过程部分位移云图（10#桩后完成X方向位移云图）

3.2 地表沉降分析

图3 为桩、挡墙结构开挖与施工过程中Z 方向的沉降曲线。由图3 可知，在1#、4#、7#、10#桩开挖与浇筑施工过程中，监测线1 离桩中心1m 和2m 有隆起现象，同样监测线2 离桩中心1m 处也有部分隆起，但隆起高度与范围均小于监测线1；分析其原因是在初始开挖时突然的扰动造成桩孔周围土体隆起，而监测线1 离1#、4#、7#、10#桩位置更近，所以隆起更加明显。在整个桩、挡墙施工过程中，离桩中心1m 处与2m 处的沉降比较明显，但始终小于监测点3 处土体沉降，是因为监测点3 此次施工扰动影响范围在5m 左右，而离桩越近沉降越小，是因为桩、挡墙浇筑混凝土之后变形较小或几乎不变，同时对周围土体起到了约束作用，土体越近约束作用越明显，地表沉降变形越小。而超过5m 范围之外，地表沉降均减小，离桩中心越远，沉降越小。

图3 桩、挡墙结构施工过程中Z方向的沉降

图4 为基坑开挖过程中Z方向的沉降曲线。由图4 可知，监测线1 与监测线3，监测线2 与监测线4 沉降变形值与趋势大致相同，表明在基坑开挖过程中基坑东侧与南侧距离基坑角落相同的位置，地表沉降变形具有对称的规律[3]。各监测点沉降变形与桩、挡墙施工期间的沉降变形规律一致，均出现5m 范围内离基坑越近变形越小且离基坑1m 处与2m 处位置沉降有逐渐趋于稳定的趋势，是因为桩、挡墙的存在使基坑5m 范围内的土体被压缩至极限逐渐无法压缩；5m 范围以外离基坑越远变形越小。在前两层开挖时，基坑周围地表沉降并不明显，在第3、4、5 层开挖时，周围土体沉降变形明显增大，分析其原因，由于第一层为素填土，土质较好且前面两层每层开挖厚度要小于后三层开挖。

图4 基坑开挖过程中Z方向的沉降

图5 为基坑开挖完成模型的应力云图。由图5 可知，基坑开挖完成后基坑桩、挡墙受到的最大主应力为4.67MPa，出现在基坑角落处桩、挡墙围护结构，因此在基坑转角应加强配筋避免出现应力集中导致的破坏[4]。Z方向受到的最大应力值为5.35MPa，出现在桩、挡墙中部位置，由于中部地层为淤泥质粉质黏土，属于不良地质，在施工过程中极易坍塌导致围护结构失效，应加强监测，桩墙施工时及时支护。

图5 基坑开挖完成后模型应力云图（Z方向应力云图）

4 结束语

本文基于FLAC3D 有限差分数值计算软件模拟了某桩、挡墙支护基坑开挖的全过程，分析了开挖过程中地表沉降及围护结构的受力情况，得出以下主要结论：

（1）在围护结构桩、挡墙施工过程中，开挖易造成周围土体向孔内坍塌，在钻孔时可提高护壁强度等级，及时清孔浇筑混凝土。

（2）无论是桩、挡墙施工过程，还是基坑开挖过程，基坑周围地表沉降均呈现出5m 范围内离基坑越近变形越小且离基坑1m 处与2m 处位置沉降有逐渐趋于稳定的趋势，5m 范围以外离基坑越远变形越小。基坑分层开挖厚度越大，地表沉降变形越明显。

（3）基坑转角处桩、挡墙受到集中应力影响，应加强配筋避免出现围护结构破坏；在淤泥质粉质黏土地层中的桩与挡墙受力较大，在施工过程中及时监测围护结构变形，当变形较大时可向基坑附近的淤泥质粉质黏土地层采用压力注浆的方式改变周围地层情况，减小围护结构受力。