基于FLAC3D模拟技术的深基坑变形规律研究.pdf

矿产勘查 MINERAL EXPLORATION 第11卷第6期 2020年6月 Vo l . 11 No .6 Ju n e,2020 基于FLAC_3D模拟技术的深基坑变形 规律研究 张军贤王清标彳 （1.台州职业技术学院建筑工程学院，台州318000； 2.山东科技大学煤矿充填开采国家工程实验室-矿山灾害预防控制重点实验室，青岛266590） 摘 要 因深基坑失稳造成的工程事故严重威胁着技术人员的生命安全，影响着工期的长短。通过FLAC_3D对 深基坑开挖进行数值模拟，分析现场检测结果，得到地表沉降最大点沉降量最大点距基坑边缘11.2 m,最 大沉降量为18.9 mm,基坑边界无穷远处，地表基本没有沉降，在靠近围护桩底端出现受力反弯点，基坑 开挖4.5 m后支护侧向变形量达到最大，且最大变形为24. 9 mmo 关键词深基坑变形沉降量围护桩滕州山东 中图分类号TU473 文献标识码A 文章编号 0引言 随着我国基础设施建设的进一步发展,深基坑 施工失稳的现象日益增多，造成的工程事故越来越 严重，故在深基坑开挖过程中,如何保证深基坑的稳 定已成为岩土工程学科研究的重要课题。 Bra n sby等（1975）研究了悬臂板桩支护基坑 （砂土地层）开挖过程中周围地表沉降量，得到了板 状变形与周围沉降量之间的规律;Pec k （1969）通过 分析芝加哥和奥斯陆地区的深基坑开挖工程变形监 测结果，得到关于施工场地、施工质量和施工地质的 地表沉降曲线，并拟合了经验预测函数;Terza gh i （1932、1934、1936）通过对诸多室内试验与现场测 试进行研究，分析了挡土墙的侧向变形与周围土体 的极限状态的关系，得到要使得基坑发生剪切破坏, 基坑周围土体表现出大变形的特点;李水兵和李培 现（2011）应用数学上的双曲正切函数，提出了预测 深基坑BP变形的神经网络模型，模型中加入附加 动量法对自身进行修正;缪新颖等（2011）分析了经 典预测深基坑变形的BP神经网络模型，提出了预 测深基坑LM-BP变形模型;廖展宇等（2009）基于 1674-7801 （2020）06-1303-05 非等间距时序的灰色预测模型，分析了基坑开挖过 程中的变形与时间的关系；李杭杭和王勇（2019）通 过建立有限元模型，并进行现场监测,得到钢支撑的 设置对地连墙的侧向变形限制效果明显，墙身最大 位移出现在其1/2的位置;陈涛（2018）结合天津市 深基坑工程案例，采用PLAXIS 3D模拟对基坑开挖 中地连墙深层水平位移以及周边地表沉降进行了数 值模拟,得到墙体位移变化呈中间大、两端小的特 点。 综上所述，国内外学者通过理论计算、室内实 验、现场监测以及数值模拟等方法,提出了多种深基 坑开挖的失稳机理以及变形预测模型，但是由于工 程地质、水文条件不尽相同，深基坑的失稳控制设计 并没有统一的标准。故以滕州九州清晏小区地下人 防工程拟建场地为工程背景,对深基坑变形进行数 值模拟，并结合现场监测数据，研究深基坑变形机 理，为深基坑设计提供理论依据。 1工程概况 滕州九州清晏小区地下人防工程拟建场地位地 理位置比较典型，其西北侧坐落着滕州市老县衙 ［收稿日期］2020-01-15 ［基金项目］国家自然科学基金（编号 41372289）资助。 ［第一作者简介］张军贤，男， ，1989年生，硕士，工程师，从事岩土工程及地下工程等研究工作； ；E-mail 745670965 。 1303 矿 产 勘 查 2020 年 （文物保护建筑），北侧有一处基坑,东侧紧邻善国 中路,南侧紧邻府前中路。本深基坑工程在平面上 呈多边形,周长达760余米,面积达到22000甘,深度 达7. 70 11. 60 m,设置两层地下室。基坑支护方式 基坑-4 m之上采用土钉支护,-4 m之下采用桩锚支 护,基坑周边通过打高压旋喷桩形成止水帷幕，基坑 支护安全等级为I级，现场支护效果如图1所示。 图1支护结构 2计算模型的建立 2.1计算模型的假定 （1）假设土钉墙受到的应力，发生的应变都看 作平面应变问题；（2）假设混凝土面层与土钉为完 全弹性；（3）在数值模拟过程中,混凝土面层采用梁 单元结构,土钉采用锚索单元结构；（4）假设土体发 生弹塑性破坏，本构关系满足Mo h i-Co u l o mb准贝 且计算模型发生大变形破坏（闫文鹏,2011）。 2.2模型区域与边界的确定 2.2.1模型区域模型区域 确定数值模型的计算区域依据工程基坑周围 的地质条件与开挖深度,试确定模型的模拟区域大 小;分析模拟结果,得到计算模型的下边界选取为基 坑开挖面以下H,边坡开挖面后边界通过（2-3）H 计算得到;扩大模型的计算区域对数值模拟的计算 结果几乎没有影响,故计算区域不需要扩大。 2. 2.2模型的边界条件模型的边界条件 确定数值模型的边界条件基坑顶部，数值模型 采用自由边界，无约束;基坑底部采用固定边界,约 束形式为固定支座;两个侧面的剪应力为零,但是竖 1304 直方向存在位移,故采用滚动支座进行约束。 2.3荷载条件的确定 在数值模拟计算过程中，虽然附加荷载、附加水 压力和土层自重压力是3个不可忽略的外界条件, 但是在工程应用上需要结合实际情况进行设置。因 此对比基坑监测结果，在进行数值模拟时，可以不设 置地表附加荷载;依据现场施工情况，由于开挖基坑 之前已进行过降水处理，地下水位一定低于基坑底 面，也可以不设置附加水压力；由于考虑的是深基坑 的开挖问题,故在进行数值模拟时土层自重压力不 可忽略，其大小按照自重应力求解公式（上覆土层 重度x 土层厚度）进行计算。 2.4数值模拟的计算过程 依据实际的施工顺序,分别赋予模拟不同的外 界荷载与边界条件进行计算，具体可以按照以下步 骤进行计算 （1） 在刚开始进行数值模拟过程中，需要对未 开挖土体进行自重应力下的平衡计算，使模型初始 应力状态和现场土体的应力状态保持一致； （2） 现场基坑开挖模拟可以按照以下步骤进行 首先,基坑从0. 00 m标高处开挖至-2. 50 m深 度,此开挖过程无支护;之后,打入第一排土钉，开挖 至-4. 50 m；依次打入第二排，第三排和第四排土 钉，每一排土钉打入之后施作混凝土面板。 按照上述要求,建立力学模型进行分步模拟，模 型尺寸选取为480 mx 260 mx 96 m（长x宽x高），如 图2中的a、b所示。 2.5模型参数 采用的数值模型中各土层的物理力学参数取值 如表1所示。 表1各土层物理力学性质参数 土层 名称 厚度 /m 重度 /kN/m3 压缩模量 E/MPa 泊松比粘聚力内摩擦 角卩/。 2 c/kPa 杂填土 2. 11b深基坑三维侧视图 3模拟计算分析 严格按照上述内容确定模拟区域，设置边界条 件，施加模拟荷载,采用表1 土层参数，按照3. 4模 拟过程分析模型的地表沉降、支护桩受力以及支护 侧向变形特点。 3.1地表沉降特点 模拟不同部位基坑的地表沉降曲线如图3所 ZN o 分析数值模拟结果可以得到随着基坑开挖深 度的变化，锚杆轴向力也发生变化,第一步开挖之 后，锚杆最大轴向力为8. 016x 105N,最后一步开挖 之后，锚杆轴向力增加到1.275x106No基坑开挖最 大地表沉降值如图3所示，基坑开挖后最大沉降点 出现在距基坑11.2m处，此处基坑开挖引起的地表 沉降量为18. 9 n u n ,这与实测结果基本吻合,在距基 坑边界无穷远处，地表沉降几乎接近为零，地表沉降 将不再受到基坑开挖的影响。 3.2支护桩受力分析 支护桩受力特点如图4所示。随着基坑开挖深 度的增加，支护桩受力状态呈现出复杂的变化特点, 在开挖深度略靠下的位置处出现反弯点。 3.3支护侧向变形分析 分析数值模拟计算结果,D-D截面与各截面侧 向变形分别如图5中的a、b所示。 图3地表沉降分布图 1305 矿 产 勘 查 2020 年 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -5 0 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 b 图5侧向变形 aD-D部面侧向变形图;b各截面侧向变形图 a 基坑经过第一、二步开挖之后图5a ,支护桩 侧向变形较小。但是，随着基坑开挖进一步加深，支 护桩侧向变形迅速变大，变形逐步呈“镰刀型”，且 最大侧向变形出现在-4. 5m处,最大变形量为24. 9 mm,各典型截面的变形特点在不同程度上表现为 “镰刀型”图5b，其中，在A-A、D-D截面处，其变 形更接近“镰刀型”，侧向变形由于支护桩的左右对 称关系，反弯点出现在桩顶偏上部位;基坑开挖后基 坑底部隆起，侧向位移向深部发展。 4结论 1 深基坑开挖后，距离基坑边缘越远，地表沉 降量逐渐增大，当达到距离基坑11.2m处时，地表 沉降量达到最大，沉降量为18. 9 mm；从沉降量最大 处开始，地表沉降量受到基坑开挖的影响又逐渐减 小，在距离基坑边界无穷远处，地表沉降几乎不再受 到基坑开挖的影响。 2 支护桩的受力情况受到基坑开挖深度的影 响，一般情况下，基坑开挖越深影响越大，靠近支护 桩底端处出现反弯点。 3 基坑支护的侧向变形呈“镰刀型”，在-4. 5 m处，支护侧向变形量达到最大，且最大变形为 24. 9 mm；在靠近支护结构顶部位置出现反弯点，而 在基坑底部,支护侧向变形向更深处逐步发展。 参考文献 Bransby B L, Milligan G W. 1975. 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National Engineering Laboratory for Coalmine Backfilling Mining-state Key Laboratory Breeding Base of Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590 Abst ra c tTh e en gin eerin g a c c iden t s c a u sed by t h e in st a bil it y o f deep f o u n da t io n pit serio u sl y t h rea t en t h e l if e sa f et y o f t ec h n i c ia n s a n d a f f ec t t h e du ra t io n o f t h e pro jec t . Th e n u meric a l simu l a t io n o f deep f o u n da t io n pit ex c a v a t io n is c a rried o u t by FLAC_3 D, a n d t h e f iel d t est resu l t s a re a n a l yzed. It is f o u n d t h a t t h e ma x imu m set t l emen t is 11. 2m f ro m t h e edge o f f o u n da t io n pit , a n d t h e ma x i mu m set t l emen t is ] 9mm. Th ere is n o set t l emen t o n t h e gro u n d n ea r t h e bo u n da ry o f f o u n da t io n pit , a n d t h ere is a po in t o f st ress re v erse ben din g n ea r t h e bo t t o m o f en c l o su re pil e. Af t er ex c a v a t io n o f f o u n da t io n pit f o r 4. 5m, t h e l a t era l def bn n a t io n o f su ppo rt rea c h es t h e ma x imu m, a n d t h e ma x imu m def o rma t io n is 24. 9mm. Key wo rds deep f o u n da t io n pit, def bn n a t io n, set t l emen t, en c l o su re pil e, Ten gzh o u, Sh a n do n g Pro v in c e 1307