基于FLAC一3D的深基坑开挖过程数值分析.pdf

第 2 5卷第 3 期 2 0 0 8 年 9月 河北工程大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f H e b e i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n V0 1 ． 2 5 No． 3 S e p． 2 0 0 8 文章编号 1 6 7 3 9 4 6 9 2 0 0 8 0 3 0 0 1 5 0 4 基于 F L A C一3 D的深基坑开挖过程数值分析 杨宝珠 ， 仲晓梅 天津城市建设学院 土木工程系， 天津 3 0 0 3 8 4 摘要 以天津市某一深基坑工程为例 ， 基 于 F L A C～3 D数值分析软件 ， 进行 了不 同开挖时间和空 间的数值模拟计算， 并与开挖监测结果进行对 比， 分析 了深基坑开挖过程 中围护结构变形、 支撑 轴力、 坑底 回弹及工程桩承载性状等参数的时空效应。 关键 词 深基 坑 工程 ； 时空效 应 ； 数 值 分析 中图分类号 T U 4 7 0 文献标识码 A Nu me r i c a l a n a l y s i s o f d e e p e x c a v a t i o n o n F L AC 3 D YANG Ba o z h u，Z HONG Xi a o me i D e p a r tme n t o f C i v i l E n g i n e e ri ng ， T i a n j i n I n s ti t u t e o f U r b a n C o n s t r u c t i o n ， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4 ， C h i n a A b s t r a c t T a k i n g a d e e p e x c a v a t i o n i n T i a n j i n f o r e x a m p l e ． t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s a r e p m g r e s s e d u n d e r d i f f e r e n t e x c a v a t i o n t i me a n d s p a c e b a s i n g o n the n u me r i c a l a n a l y s i s s o f t wa r e FLAC 一 3 D i n thi s p a p e r ． T he me a s u r e d d a t a i s c o mp a r e d a n d the c h a n g e s o f h o riz o ntal d i s p l a c e me n t o f wa l l ，s u p p o r t i n g f o r c e，b o t t o m s o i l u p h e a v al，and b e a r i n g c a p a c i t y o f p i l e s d u r i n g e x c a v a t i o n w i t h t i me and s p a c e w e r e a n a l y z e d Ke y wo r d s d e e p e x c a v a t i o n；s p a c e t i me d e p e n d e n t e f f e c t ；n u me r i c al a n a l y s i s 随着基坑 工程 的不 断实践， 实测发 现支护结 构上承受的土压力 、 支撑轴力 、 基坑变形 等随时间 而变化 ， 而且这些变化除 了与土性 、 支护结构参数 相关外 ， 还 与基坑 的开挖方式 、 时间、 开挖 次序等 施工参数 相关。在 基坑开挖过程 中， 每步 开挖 的 空间尺寸 、 围护墙 无支撑暴露 面积和时 间等施 工 参数对基坑变形具 有 明显 的相关性 ， 基坑工 程的 三维空间性状 日益受到人们的关注 。] 。 本文基于 F L A C一3 D数值分析软件 ， 以天津市 某一深基坑 工程为 例， 对开挖过程 中围护结构 变 形 、 支撑轴力 、 坑底 回弹及工程桩承载性状等进行 了不同开挖时间和空间的数值模拟计算， 并与开 挖监测结果进行 了对 比， 为设计和施工 提供有益 的参考 。 1工程概 况 本工程位 于天津市河北区， 地面 3 I 层 ， 地下 2 层 ， 基坑开挖深度为 8 ． 5 m， 采用钻孔灌注桩做 围护 结构、 水泥土搅拌桩做止水 帷幕 ， 围护桩桩底深度 1 8 ． 6 m。基坑开挖时在地面下 1 ． 0 m采用了临时内 支撑体系， 在长度方向的 中部设置三根钢支撑梁 ， 其中一根带膨胀 节 ， 角 部为斜 撑。支护结构见 图 1 。基坑开挖整个过 程 中进行 了变形 和支撑轴 力 的监测工作。工程场地各土层计算参数见表 1 。 收稿 15 t 期 2 0 0 8 0 52 3 基金项 目 天津市科技创 新专项资金项 目资助 作者简介 杨宝珠 1 9 6 1 一 ， 女 ， 天津人 ， 剐教授 ， 从事土木工程 的教学 和科研工作。 图l 基坑 工程示 意 图 F i g ．1 S k et c h of d e e p e x c a v a t i o n 维普资讯 1 6 河北工程大学学报 自然科学版 表 l 土层计算参数 Ta b． 1 S o i l pr o pe r tie s 2数值计算分析 2 ． 1计算模型 分析采用 F L A C一3 D数值计算软件 4 ] 。土的 本构模型采用 M o h r C o u l o m b模型 ； 水泥土桩 、 钢 支撑 和工 程桩 采用 线 弹性 模 型； 接触 模拟 采 用 F L A C内置的 i n t e l { a c e 接触模型。 从施做 围护桩 到开 挖结束分 为七 个计算 工 况。工况 1 基坑开挖 ， 施做 围护桩 、 止水 、 格构柱 、 环梁 ； 工况 2 环梁 处施 做钢支撑 ； 工况 3 预应力 钢支撑东侧开挖至基底 ； 工况 4 三根主撑部分开 挖至基底 ； 工况 5 西侧靠近河沿路开挖宽 1 2 m， 深 至设计深度 ； 工况 6 西侧 由南 向北开挖宽 2 3 m， 深 至设计深度； 工况 7 剩下部分开挖至基底。本文 比较真实的模拟了基坑挖土卸荷各工况和水平支 撑系统各工况 的全过程 。 2 ． 2计算结果分析 水平位 移 m m 2不 同工 况 阐护 墙w 测点水 位移 曲线 I i g． 2 Curv es of ho ri z ont al di s pl ace men t o f s u p p o r t i n g w a l l w j i n di f fer ent St eps 1 围护墙体水平位移分析 。图 2为基坑中部 位置 Wd 测点的墙 体水平位移 曲线 ， 由图 2可见， 各开挖工况下墙体水平最大位移几乎都发生在基 坑开挖面 8 ． 5 m 附近 ， 且 沿深度水平位移呈 中间 大两端小的趋势， 这与基坑 实际监测结果是一致 的 。 W W8 图3基坑 开挖完后 围护结 构变形 图 F i g ． 3 S t r u c t u r a l d e f o r m a t i o n o f b u i i d i n g e n v el o p e a f t e r e x c a v a t i o n 图 3可见， 围护墙 的最大侧 向位 移发生在基 坑长边 中部 ， 最大值位于基坑开挖 面位置 ， 为9 ． 5 m r n ， 最 大 侧 向位 移 与 该 处 开 挖 深 度 的 比值 为 0 ． 1 1 2 ％； W4 较 点的值略小。w， 与 W5 为围护 墙两短边 的中间位置 ， w 的最 大侧 向位 移只有 4 ． 8 m m， 与开挖深度 的 比值 为 0 ． 0 5 6 ％。另外 ， 随 着距离角点位置越近 ， 最大位移值越小 ， 但位移的 变化率有明显的差异 ， 在基坑边角附近水平位移 增长最慢 ， 可能与另一 侧围护结构 的约束作用有 关。施工时应很好地注意这一情况 ， 加 强基坑长 边中部位置的支撑。 2 水平钢支撑梁轴力分析。在基坑长边 中部 设置了三根钢支撑梁， 见图 l 。其 中 G l 采用 了带 膨胀节的钢支撑梁 ， 预加 了 5 1 8 k N的预压应力。 维普资讯 第 3 期 杨宝珠等 基于 F L A C一3 D的深基坑开挖过程数值分析 1 7 一 蘑 时 间 d 图4水平钢支撑轴力实测与计算对 比图 Fig． 4 Co mpa ri so n of axi al f orc e be twee n f i e 1 d t e s t d a t a a n d S i m u 1 a t i o n r es u l t S 表 2钢支撑梁实测和计算轴力变化情况表 Ta b．2 Va r i a t i o n o f o b s e r v e d a n d c a l c u l a t ed a x i a l f o r c e o f s t e e l b e a m 图 4和表 2 为开挖过 程中水平支撑梁 实测和 计算轴力 的对 比。可见 ， 随着 开挖 的进行各 支撑 轴力都有 比较大的增加 ， 但增 长趋势基本相 同， G 1 和 G 2的实测值与计算值符合得 比较好 ； 开 挖经过 支撑梁所在的位置时， 梁轴力会有 比较大 的增加 ， 经过梁 以后 轴力变化趋 于缓 和； 有预应力 的钢支 撑梁要 比没有预应力 的梁能承受更大的压力 。因 此 ， 实际工程时， 全部支护结构 的主要粱若使用带 膨胀节的钢支撑梁 ， 预压力可以大一些 ； 但仅有少 数使用时 ， 预压力应更 大一些 ， 以免发 生失稳 、 屈 服等破坏 。 3 基底隆起 变形分析。在基底沿长度方向选 取了一个中部 量测断面 ， 共 6个 点， 依次 为 K l至 K 6 ， 计算 的回弹隆起量见表 3 。 由表 3可见 ， 开挖完成后 ， 基坑最大隆起发生 在基坑 的中间位置 K 3处 ； 空 间方 面， 从 各个开挖 分区来看 ， 最大 回弹也都发生在本 区的中间位置 ； 靠近坑壁处 的隆起 量最小 ， 分析是 墙体水平 变位 较小 ， 且靠 近墙边的土体受到了墙体约束的原 因。 但笔者在其它工程中也 曾实测过墙 边有较大隆起 的情况 ， 可能是 由于随着开挖深度 的增加， 基坑 内 外压力差增大 ， 引起了支护结 构的较大变形与坑 外土体的位移， 基坑周围土体在自重下使墙边坑 底土向上隆起 ， 加大 了该处的回弹量 。 该基坑深度为 8 ． 5 m， 按照顺 挖法基坑 回弹量 的经验公式[5 j ， 估算得到的隆起量应该在 4 2 ． 5 8 5 m m范围之内， 而模拟计算结果中最大的基坑隆 起为 3 3 ． 7 7 m m， 基本接近， 该值可作为现场施工判 断基坑稳定性 的一个重要指标 。 表 3各工况下基底隆起回弹量 i n l n T a b ． 3 B o t t o m u p h e a v a l i n d i ff e r e n t s t e p s mm 4 开挖对工程桩承载性状的影 响。对于带有 工程桩的深基坑 的开挖 ， 以往研究桩基对基 坑开 挖卸荷变形 的影响较多 ， 而考虑基坑开挖对 桩基 承载 陛状影响的研究较少 。本文选取三个不 同开 挖深度 ， 分析 了开挖卸荷对 工程桩承载力 和桩 土 相对位移 的影 响。工况 1 没有开挖 h ／ H0 ； 工 况 2 开挖一半深度 h ／ H0 ． 5 ； 工况 3 完全开挖 h ／ H1 ． 0 。其 中 ， h为基 坑每 工况下 的开挖深 度 ， H为基坑深度 。 Q k N O 1 0 0 0 2 O 0 0 3 0 0 0 4 0 O O KE0 6 O O O 7 】 0 R n n 0 f n n f1 图5不同开挖深度下桩的荷载一 位移 0 一 s 曲线 F i g ． 5 Q S c u r v e s o f pi 1 e s i n d i f f e re n t exc avat i on depth 维普资讯 l 8 河北工程大学学报 自然科学版 2 0 0 8 盔 图 5为不 同开挖 深度下桩 的荷载 一位 移 曲 线 ， 由图可以看 出， 工况 2 、 3在开挖底 面处土体都 产生 了不同程度的回弹； 各工况的 Qs 曲线均有 明显地拐点 ， 根据拐点法可确定 出桩的极 限承载 力。随着开挖深度的增加， 极限承载力在逐渐减 小 ， 当开挖 到一半深 度时 ， 极 限承载 力约减 小 了 1 0 ％， 当 开挖 到基 底 后 ， 极 限 承 载 力 约 减 小 了 2 O％ 星 一 量 一 桩土相对们移 m m 工 况 1 桩土相对们移 In m 工 况 3 图6 不 同工 况下桩土相对位 移 曲线 F i g ． 6 Di s t ri b u ti o n o f p i l e s oi l r e l a t i re d i s p l a c e m e n t i n d i f f e r e n t s t e p s 图 6为在不 同开挖深度下的桩土相对位移对 比曲线 ， 土体在三个开挖状态时 ， 与各 自极限荷载 对应 的桩 土相 对 位 移分 别 为 2 2 ． 5 m m、 3 9 m m和 6 3 ． 5 m m。随着开挖深度 的增加 ， 相对位移递增趋 势越来越快 ， 开挖深度为一半时增加 了 7 3 ． 3 ％， 而 完全开挖后增加了 1 8 2 ． 2 ％。因此， 工程桩设计 以 及地面试桩时应考虑基坑开挖卸荷对桩的影响 ， 以避免出现桩基 承载力不足等问题 。 3结论 1 基坑开挖 应考 虑开挖过程的时空效应 ， 用 F L A C一3 D数值计算软件 能很好地模拟基坑开挖 过程 ， 所得计算结果与实测结果吻合较好。 2 围护墙 体最 大侧 向位移发生在 开挖 面附 近 ， 并且沿基坑长度 中间部位位移大 ， 靠近边角处 位移渐小 ； 整个基坑或各个开挖分区 ， 基底隆起最 大值发生在本区的中间位置 ， 边角处最小 ， 这点可 能与有些软土基坑或支护不好的基坑有所 不同； 轴力 的变化和开挖是否经过支撑梁部位有很大的 关系， 预应力支撑能承受更大的压力。 3 基坑 开挖 对 工程 桩 承 载性 状 有影 响。随 着 开挖深度的加大 ， 单桩承载力在逐渐减小， 与极限 承载力对应的桩土相对位移在逐渐增大。 参考文献 [ 1 ]赵锡宏， 李 蓓， 杨国祥 大型超深基坑工程实践与理论 [ M] ． 北京 人民交通出版社， 2 0 0 4 ． [ 2 ]高文华， 杨林德， 沈蒲生． 软土深基坑支护结构内力与 变形时空效应 的影响因素分析[ J ] ． 土木工程学报 ， 2 0 0 1 ， 3 4 5 9 0 9 5 ． [ 3 ] 俞建 霖 ， 龚晓南 ． 基坑 工程变形性状研究 [ J ] ． 土木工程 学报 ， 2 0 0 2 ， 3 5 8 8 6 9 0 ． [ 4 ] 刘 波， 韩彦辉．F L A C原理 、 实例与应用指南[ M ] ． 北 京 人民交通出版社， 2 0 0 5 ． [ 5 ]董建国， 赵锡宏．高层建筑地基基础 一共同作用理论 与实践[ M] ． 上海同济大学出版社， 1 9 9 7 ． 责任编辑刘存英 维普资讯