基于FLAC-3D數值模擬分析逆作法的深基坑變形

楊益飛, 關 群, 孫若晗, 高 菊, 張 力

(合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

基于FLAC-3D數值模擬分析逆作法的深基坑變形

楊益飛, 關 群, 孫若晗, 高 菊, 張 力

(合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

文章利用ANSYS軟件建立三維模型,導入FLAC-3D中對某逆作法的深基坑開挖變形過程進行數值模擬與計算。結果表明:深基坑的地下連續墻變形呈S形,最大水平變形位于開挖面以上1/2～1/3深度處;周邊土體沉降呈倒弓形,距基坑6～8 m處沉降最大;坑底回彈隨土體開挖逐漸增大;樁頂垂直位移隨開挖大致呈先向下稍移再上抬的趨勢。研究結果可為類似深基坑工程提供參考。

逆作法;深基坑;變形;數值模擬

近年來,逆作法在基坑、隧道、地鐵等工程中得到了快速的發展。深基坑多采用逆作法施工,采用剛度較強的梁、板、柱作為支撐系統,地下連續墻作為圍護結構,形成一個整體[1]。深基坑逆作法開挖過程中必須考慮基坑變形對周邊環境的影響、自身的穩定性等,然而土體的性質、含水量的變化、降水步驟、開挖步驟等都會對開挖變形、穩定性造成不同的影響,因此,有必要通過有效的數值模擬與計算,研究實際開挖過程中基坑變形、沉降等變化規律,為實際工程提供預測數據和合理化建議。

本文以一深基坑逆作法工程為例,通過ANSYS軟件建立基坑三維模型,導入FLAC-3D中進行計算模擬,研究地下連續墻變形、周邊土體沉降以及土體回彈等變化規律,從而為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 概況

該工程位于某地傳統商業中心區域,其中主樓地上45層、附樓16層、裙房9層,地下5層,基坑平面近似為118.8 m×82.8 m的矩形,總面積為4.26×104m2,深度約22 m,圍護結構采用地下連續墻(簡稱“地連墻”),厚度為1 m,地下各層樓板作為水平支撐?；娱_挖采用“周邊逆作、中間主樓順作”的逆作法施工技術,主樓為人工挖孔樁基礎,附樓及裙房為鉆孔灌注樁基礎,支撐柱采用鋼管混凝土柱(外包成框架柱)或鋼管柱?；悠矫鎴D及周邊環境分布如圖1所示。

圖1 基坑平面圖及周邊環境分布

場地屬于第四紀地貌形態,為南淝河一級階地地貌單元,場地地層從上至下為:① 雜填土、② 黏土、③ 粉質黏土(黏土)、④-1 粉土夾砂、④-2 粉土夾砂、⑤-1 強風化泥質砂巖、⑤-2 中風化泥質砂巖。場地各土層主要物理力學指標見表1所列。

表1 場地土層主要物理力學指標

注：重度的單位為kN/m3。

1.2 基坑支護及開挖

該工程5層地下室基坑深度約22 m,墻趾位于⑤-1強風化泥質砂巖中7 m,屬于深、大基坑工程,地質條件及周圍環境復雜且場地有限,對沉降較為敏感,地下水量充沛,因此采用地連墻與水平樓板相結合的支護體系,整體剛度大,可以有效控制變形和沉降,基坑支護如圖2所示?；臃譃榈叵?層,B0～B4板均逆作施工,主樓順作,主樓部分形成一個半徑為30 m的出土口,具體施工順序見表2所列?；娱_挖過程中進行持續降水,坑內水位保持在底板以下、2 m以外。

圖2 基坑支護圖

表2 施工順序

序號具體施工內容1水泥攪拌樁施工2基坑周邊地下連續墻施工3鉆孔灌注樁及支撐柱施工4開挖0～-2.5m土體,澆注B0板5開挖-2.5～-7.15m土體,澆注B1板6開挖-7.13～-11.75m土體,澆注B2板7開挖-11.75～-15.4m土體,澆注B3板8開挖-15.4～-19.0m土體,澆注B4板9主樓人工挖孔樁施工10開挖-19.0～-22.0m土體,澆注底板

2 基坑開挖數值模擬分析

2.1 基本假設

為了建模、計算方便,同時兼顧實際的施工開挖情況,做以下假設:

(1) 主要模擬基坑逆作法開挖過程,因此不考慮主樓人工挖孔樁及以上結構的施工。

(2) 基坑底部布滿抗拔樁、灌注樁,為了降低計算量,模型中不考慮抗拔樁。

(3) 模擬計算過程中,由于充分降水,因此不考慮地下水的影響。

2.2 模型的建立

2.2.1 結構單元、材料參數及本構模型的選取

土體、地下連續墻及梁、板采用實體單元模擬,而墻與土體之間的相互作用采用FLAC-3D中內置的interface接觸面來實現[2]。其中土體根據表1分為7層,采用Mohr-Coulomb本構模型,由于缺少部分試驗數據,根據實際經驗、規范及文獻[3]取各層土體的彈性模量E及泊松比ν,然后根據(1)式、(2)式計算出對應土體的剪切模量K和體積模量G[4];而地連墻及梁板采用線彈性模型。支撐柱和灌注樁采用pile單元模擬,樁、柱與土體之間的相互作用通過法向和切向的耦合彈簧來實現,保證pile單元與實體單元網格間力和彎矩的傳遞。

K=E/[3(1-3ν)]

(1)

G=E/[2(1+ν)]

(2)

2.2.2 基坑開挖的模擬

基坑開挖實際是一個動態連續的施工過程,模擬可以通過計算步驟來實現基坑的分步施工,即通過“殺死”和“激活”相應計算單元來考慮土體開挖和圍護體系的作用[5]。FLAC-3D中用null單元來實現土體開挖[6],設置最大不平衡力比為10-5來描述計算的收斂過程,經過近27×104步完成基坑開挖模擬計算,其具體施工工況見表3所列。

表3 施工工況

2.2.3 模型尺寸與邊界條件

該深基坑平面為不規則的矩形,因此利用ANSYS建立三維空間模型再導入FLAC-3D進行計算,根據經驗及彈性力學理論,土體平面尺寸取5倍開挖深度,為400m×400m的正方形,影響深度取2～3倍的開挖深度[7],取為80m。模型邊界條件設為x=200 m、x=-200 m和y=250 m、y=-150 m 4個豎向截斷面僅約束邊界面法向位移,z=-80 m底部約束豎向位移,z=0 m地表面為自由邊界。模型共有116 046個單元,119 728個節點,ANSYS與FLAC-3D三維模型如圖3所示。

圖3 三維模型

2.3 模擬結果分析

2.3.1 地連墻水平位移分析

FLAC-3D在模擬過程中監測了地連墻6條邊中點處的水平位移,其中開挖完成時地連墻的x、y向位移云圖如圖4所示。

從圖4可以看出變形最大值為42 mm,滿足文獻[8]中δmax/H≤0.5%的要求,地連墻位移呈兩邊小中間大的特點，且位于主樓出土口處的變形稍大,這是由于出土口處抗側剛度小,對地連墻的變形約束小,因此中間變形大。

各中點的水平位移圖如圖5所示,在開挖初期地連墻向坑外變形,變形呈S形,從0至-4 m變形逐漸減少,-4 m以下隨土體開挖,地連墻的變形不斷增大且最大變形不斷下移,最終變形最大值出現在-14～-16 m處,位于開挖面以上1/2～1/3深度處,這與文獻[9]所得的實際監測的變形規律相似。

圖4 地連墻變形圖

圖5 地連墻各中點處水平位移

2.3.2 周邊土體沉降分析

基坑開挖完成時,基坑周邊的沉降情況如圖6所示。從圖6可以看出,土體的最大沉降量為18 mm,小于設計地表最大沉降量0.1%H=20 mm的要求;“凹”形角點處沉降比“凸”形角點處的沉降大,這是由于“凹”形處土體受到兩側地連墻變形疊加的影響,導致土體沉降加大;基坑x=35.5 m、x=-49.3 m及y=-37.9 m處土體沉降呈兩邊小中間大的特點,這與地連墻的變形一致。

圖6 基坑周邊沉降圖

基坑周邊y=-9.8 m、y=-14.0 m和x=-0.6 m、x=-28.0 m處土體在不同工況下的沉降如圖7所示,土體沉降呈倒弓形,距基坑6～8 m處最大沉降為18 mm,沉降影響范圍大致在100 m內。

圖7 不同開挖工況下基坑周邊土體沉降

2.3.3 坑底土體回彈分析

土體隨著開挖豎向卸載,坑底土體不斷隆起,其最終回彈變形如圖8所示,最大回彈11.9 cm,處于可控范圍內,總體來看,主樓圓形出土口處坑底回彈最大,這是由于這部分土體只受到土體豎向卸載的影響,回彈比其他部位土體回彈要大。

y=0 m處坑底土體回彈在不同工況下的變形值如圖9所示,可以看出,開挖淺層土體時,回彈值很小且各個部位的回彈值相差不多,為一水平直線,隨著土體不斷開挖,圓形出土口的回彈值增大,且在(0,0)點達到最大值,其左側土體呈波浪形,這是由于左側存在支撐柱和灌注樁,承受上部結構傳來的荷載,給土體一個向下的約束。

圖8 不同開挖階段基坑周邊土體沉降

圖9 y=0 m處坑底土體在不同工況下的回彈值

2.3.4 樁頂垂直位移分析

整個開挖過程對所有樁頂垂直位移進行監測,(0,34.1)處樁頂位移最大,如圖10所示。

淺層土體開挖階段(工況3～工況4),樁體向下移動,這是由于淺層土體開挖卸載時,坑底土體豎向卸載效果不明顯,梁板柱自重及施工荷載通過地連墻及灌注樁承擔,使得樁頂下沉；深層土體開挖階段(工況5～工況7),坑底土體豎向卸載效果不斷增強,同時坑底土體回彈變形不斷增大,導致樁體不斷上抬,樁頂最大上抬量為6.3 mm。

圖10 (0,34.1)處樁頂垂直位移

2.3.5 主樓出土口處圓形梁變形及應力分析

主樓出土口半徑達30 m,必須控制其在開挖階段的變形,水平變形如圖11所示,最大主應力如圖12所示,可以看出在x方向變形達4 cm,主應力較大,這是由于此處剛度小且距基坑邊近,受到地連墻的變形影響大。

圖11 x向水平位移

圖12 最大主應力

3 結 論

本文對深基坑逆作法開挖階段的變形過程進行FLAC-3D模擬分析,通過對開挖階段基坑整體變形、沉降等問題的研究,得出以下結論：

(1) 地連墻變形呈S形,最大水平位移為42 mm,位于開挖面以上1/2～1/3深度處,施工過程中應合理布置監測點,重點部位在地連墻的邊中點及角點處。

(2) 周邊土體沉降呈倒弓形,距基坑6～8 m處最大沉降為18 mm,基坑周邊10 m范圍內監測點要多布置一些,10 m之外可適當減少監測點,若日均沉降大于3 mm,應立即停止施工。

(3) 經計算得樁頂垂直位移隨開挖大致呈先向下微移再上抬的趨勢,最大可達6.3 mm,因此要加大梁板柱節點處的監測,防止樓板開裂。

(4) 坑底回彈隨土體開挖逐漸增大至12 cm左右,因此開挖之前要保證地下水降至開挖面以下2 m,同時在開挖階段加大監測頻率。

(5) 由模擬分析結果可知圓形出土口處梁變形及應力較大,應嚴格控制出土口處的施工荷載不大于20 kPa。

[1] 徐志均,趙錫宏.逆作法設計與施工[M].北京:機械工業出版社,2002:197-216.

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[6] 陳敏華,陳增新,張長生.FLAC3D在基坑開挖分析中的應用[J].巖土工程學報,2006,28(增刊1):1437-1440.

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(責任編輯 張淑艷)

Numerical simulation analysis of deep foundation pit deformation by top-down construction method based on FLAC-3D

YANG Yifei, GUAN Qun, SUN Ruohan, GAO Ju, ZHANG Li

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In this paper, the three-dimensional model is established by using ANSYS software, and the model is imported into FLAC-3D for numerical simulation and calculation of the deformation process of deep foundation pit excavation by top-down construction method. The results show that the deformation of diaphragm wall is in S shape and the maximum horizontal deformation is located above the 1/2-1/3 depth of the excavation surface. The adjacent soil settlement is in inverted bow shape and the maximum settlement is 6-8 m away from the pit. The bottom soil upheaval gradually increases with the soil excavation. The vertical displacement of pile top is roughly first slightly moved downwards and then uplifted with the excavation. The study results can provide reference for similar engineering.

top-down construction method; deep foundation pit; deformation; numerical simulation

2015-09-28；

2016-01-05

楊益飛(1989-),男,江蘇如皋人,合肥工業大學碩士生; 關 群(1962-),女,江蘇揚州人,博士,合肥工業大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.018

TU470.3

A

1003-5060(2017)04-0522-06