某地铁车站基坑工程的FLAC3D数值模拟分析

曹日跃

(安徽建筑大学土木工程学院， 安徽　合肥　230601)



某地铁车站基坑工程的FLAC3D数值模拟分析

曹日跃

(安徽建筑大学土木工程学院， 安徽合肥230601)

[摘要]运用FLAC3D岩土软件对某地铁一号线深基坑进行开挖与支护的模拟，计算中采用摩尔-库伦弹塑性模型.通过计算得出基坑水平位移、墙后土体水平位移、地表沉降，并与实测结果进行比较，可为深基坑工程施工与支护提供参考.

[关键词]FLAC3D；基坑开挖与支护；地表沉降

近年来，我国经济飞速发展，城市化率越来越高，城市建设、交通水利等建设取得了令人瞩目的成绩.城市化不断发展，产生了大量的基坑开挖工程，而且基坑开挖规模越来越大，基坑开挖的深度也越来越深，面临的安全风险也越来越大.深基坑开挖工程不仅对技术要求非常高，而且面临的工程情况非常复杂，一旦出现问题后果将会非常严重，处理难度很大.基坑的变形和应力状态是一个支护结构与土体共同作用的问题[1].这是一个复杂的力学过程，目前尚不能定量分析.目前研究地下工程岩土体的稳定性和应力应变问题一般采用软件模拟与实测值相比较给出定性的分析，主要采用的是理论导向、现场监测和经验判断三者相结合的方法[2].

1FLAC3D简介

FLAC3D[3]是快速拉格朗日差分分析(Fast Lagrangian Analysis of Continuum)的简写.它是有限差分软件，能够动态模拟计算岩土体受力与变形形态.相对于其他有限元软件，FLAC3D在模拟岩土体的屈服、塑性流动、蠕变直至大变形有其独特的优势.FLAC3D软件具有很强的解决复杂岩土工程问题的能力，在国际岩土工程学术界享有盛誉.

2本构模型的介绍

摩尔-库伦模型是以摩尔-库伦破坏准则为计算基础，并以摩尔-库伦强度线作为屈服线.破坏准则方程可表示为：

(1)

(1)式中，σ1和σ3分别为最大主应力和最小主应力，φ为土的内摩擦角，C为土的黏聚力.

该模型作为理想弹塑性模型，仅包含一个破坏面，应力大小在破坏面以内表现出弹性变形.当应力大小达到破坏面上时，变形表现为理想弹塑性特征，应力水平基本不变，变形无限增大.如图1所示.

摩尔-库伦模型参数较少，包括弹性模量E、泊松比ν、黏聚力C、内摩擦角φ.

3FLAC3D模型的建立

3.1工程背景

本文分析某地铁车站中的深基坑开挖.基坑长450 m，标准断面宽度为20.7 m，底板埋深为17 m，基坑岩层根据地勘报告确定，结构面发育良好，层厚较小，为Ⅳ级围岩模型.近似处理为均匀岩体.

图1　理想弹塑性模型应力应变关系

基坑施工采用明挖顺作法施工.该基坑围护结构采用地下连续墙加三道内撑的支护体系.第一道采用钢筋混凝土支撑，第二、第三道采用钢支撑并施加预应力.

3.2建立模型

建立正确的工程模型是数值模拟计算的重要前提[4].本文模型包括两部分： 第一部分是土体和地下连续墙，第二部分是混凝土支撑和钢支撑.

根据实际基坑开挖的边界，确定沿基坑轴线向里增大的方向为Y 轴正方向，基坑横断面向右方向为X轴正方向，竖直向上为Z轴正方向.根据对称原理，原点建立在基坑开挖中心处[5].数值模型的计算范围为：宽度长20 m，开挖深度19 m，基坑长度36 m.根据地勘报告，模型划分为5个土层.本例围护结构可以采用衬砌单元模拟.根据实际工程经验取影响范围为4倍开挖深度，整个模型尺寸为80×144×76 m，模型共11 086个节点，9 506个单元.如图2所示.

图2　基坑模型

3.3计算参数

模型共有3种材料：土体、混凝土、钢材.土体材料使用M-C模型，其他都采用各项同性的的弹性模型.开挖部分采用null模型.各材料的参数如表1和表2所示.

表1　土体材料参数

表2　混凝土及钢材材料参数

4工况及计算结果

数值模拟分析的工况要尽量与实际施工方案相近[6].本基坑施工步骤如下：工况一在基坑开挖至一定深度后浇筑第一道混凝土支撑，等到支撑达到设计强度后，土方开挖至第二道钢支撑；工况二安装第二道钢支撑，施加预应力，土方开挖至第三道钢支撑；工况三安装第三道钢支撑，施加预应力，土方开挖至第四道换撑；工况四安装好第四道换撑，施加预应力，土方开挖至坑底标高；工况五浇筑基坑底板，在达到设计强度时拆除换撑.

4.1围护结构变形

图3反映了开挖最大不平衡力与时间(步长)的关系.从曲线中可以看出, 基坑围岩不平衡力在变形的初期有较大幅度的调整, 随后逐渐趋于稳定.当基坑开挖时，土体应力重分布，在基坑开挖的拐角处位移变形量较大，为基坑的最不稳定区域，在施工过程中应重视.

图3　体系最大不平衡力

图4反映了测点深度与地下连续墙变形的关系.由图4可知，从工况一到工况二、工况三到工况四这两个过程地下连续墙的侧移变形很快.这是因为第二道钢支撑的垂直高度较大，开挖时无支撑的土体暴露时间较长，所以墙体位移变形很快.为了基坑开挖的安全和控制土体变形，在施工中基坑内的支撑应合理安排，每次开挖的垂直高度应小点.

4.2地表沉降结果分析

分析图5可知，在各个不同的工况下当进行基坑开挖时，地表会产生不同程度的沉降.由图6可知，地表最大沉降大约发生在墙背后20 m处.随着距离基坑边缘越来越远，沉降值越来越小并趋于某稳定值.与墙体侧移一样，地表沉降变形最快的阶段也是第一、二工况和第三、四工况阶段.这进一步说明了基坑无支护暴露时间越长，变形就越大.

图4　地下连续墙侧移

图5　地表沉降位移云图

图6　地表沉降曲线

随着基坑开挖的进行，地表沉降也逐渐增大，说明土体应力释放使得地表沉降增大，在施工中应给予及时的支护，阻止变形加大并保证施工安全.

5结论

在计算得出墙后土体水平位移、地表沉降的模拟结果分析后可知，在基坑开挖初期，土体变形值不断增加.此时施工应注重支护，布置基坑支护应尽量密些，并对施工技术给予改进，边开挖边支护，开挖的垂直高度也应有合理的设计.开挖基坑的地表沉降最大值位置大约是0.9倍开挖深度.基坑开挖对周围土体的影响随着距离基坑边缘越来越远，影响也越来越小.

从上述各个数值模拟计算图可以看出，模拟结果与实测值大致吻合，说明FLAC3D用于基坑开挖后围岩稳定性分析是非常有效的, 可以为以后的深基坑工程支护设计提供有效的工具.

[参考文献]

[1]张飞，张朋，王瑞智，等. 基于FLAC3D的煤巷锚杆支护参数的模拟分析[J]. 煤炭工程，2011(6)：97-99.

[2]郭海燕，李胜林，张云. 深基坑开挖与支护的有限元模拟[J]. 中国海洋大学学报，2009(1):165-168.

[3]陈育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M]. 北京：中国水利水电出版社,2013：2-5.

[4]周琪，晏航宇. 有限差分对高边坡稳定性数值模拟分析[J]. 工程建设，2015(3):1-6.

[5]王亮. 水平旋喷桩成拱预加固隧洞开挖施工数值分析[J]. 重庆文理学院学报,2013(3):48-51.

[6]李佳宇，张子新. 圆砾层地铁车站深基坑变形特征三维数值分析[J]. 地下空间与工程学报，2012(1):71-76.

(责任编辑穆刚)

Analysis of FLAC3D numerical simulation of foundation pit engineering for a metro station

CAO Riyue

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei Anhui 230601, China)

Abstract：The simulation of excavation and support on the deep pit of a metro station was carried out using the software FLAC3D. During the simulation, the Mohr-Coulomb model was used. This simulation offers the horizontal displacement of the soil behind the vertical wall and the surface settlement of the foundation pit in every step, providing a reference for the deep foundation pit engineering construction and support.

Key words：FLAC3D; foundation pit excavation and support; surface subsidence

[中图分类号]TU473.2

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2016)02-0098-04

[作者简介]曹日跃(1991—)，男，安徽合肥人，硕士，主要从事地下工程结构优化与稳定性分析方面的研究.

[收稿日期]2015-10-15