西南某卵石地層深基坑變形的數值模擬研究

王文斌 張 衡 何文秀

(四川省蜀通巖土工程公司，四川 成都 610081)

西南某卵石地層深基坑變形的數值模擬研究

王文斌 張 衡 何文秀

(四川省蜀通巖土工程公司，四川 成都 610081)

以西南某卵石地層深基坑工程為例，采用FLAC3D軟件對該卵石地層深基坑的變形特征進行了三維數值模擬分析，研究了卵石地層深基坑的變形特點，模擬結果表明，基坑開挖過程中，卵石地層段側壁變形明顯，位于該段的錨索受力最大，卵石地層深基坑支護重點是控制基坑側壁卵石土體的位移。

卵石，深基坑，數值模擬

0 引言

成都地區地層結構的特點是白堊系灌口組泥巖上覆岷江沖洪積、冰水沉降形成的卵石地層。該卵石層厚度10 m～30 m，工程特性良好，常作為工程建筑的地基持力層，在基礎施工過程中形成卵石地層深基坑。目前，有關成都卵石地層深基坑方面的研究成果主要是具體工程實例的設計或施工情況[1-6]，關于卵石地層深基坑變形特點的研究相對較少。本文以西南某工程深基坑為例，采用FLAC3D軟件對該卵石地層基坑變形特征進行三維數值模擬分析，研究卵石地層深基坑的變形特點，指導工程施工。

1 西南某基坑工程地質條件及基坑設計

1.1 西南某基坑工程地質條件

擬建工程位于成都市三環路南三段內側，天仁路南側，地勢平坦，周邊交通發達。地貌上屬岷江水系Ⅱ級階地。

1.2 基坑設計條件

根據設計條件，場地+0.00 m高程為493.3 m，基坑開挖深度為19 m，基坑開挖尺寸及周邊環境見圖1。

根據本工程地下室建筑特點和周邊環境情況，基坑周邊布置22口管井進行基坑降水，并采用預應力錨索錨拉懸臂樁支護(見圖2)。支護樁共245根，采用旋挖成孔灌注樁，樁身直徑為1.2 m，樁中心距2.5 m，樁長23 m～24 m。樁身設置預應力錨索3排～4排，設計荷載200 kN～400 kN。

基坑土方開挖采用分層開挖方式，即土方開挖至預應力錨索以下0.5 m停止土方開挖，待錨索施工完成、灌漿體強度達到設計要求的最低強度后向下開挖。

2 基坑變形的數值模擬分析

2.1 基坑模型的建立

本文采用FLAC3D對基坑變形特征進行三維數值模擬分析。FLAC3D是美國ITASCA咨詢公司開發的三維快速拉格朗日分析程序，可以模擬巖土或其他材料的三維力學特性，分析漸進破壞失穩以及模擬大變形，被廣泛應用于當今巖土工程界[7-9]。

根據基坑開挖涉及的影響范圍和特點，確定基坑模型尺寸為80 m×30 m×60 m(長×寬×深)。計算模型總共包含了單元18 000個，節點20 336個，計算模型網格見圖3。

2.2 材料模型及參數

本次模擬采用空模型模擬基坑巖土體開挖，采用摩爾—庫侖模型模擬普通土體和巖石的力學行為。模擬采用的巖土體力學參數見表1，表2。

表1 巖土體物理力學計算參數

表2 鋼筋混凝土、錨索計算參數

2.3 邊界條件和結構單元

模型設定的邊界條件：固定模型四個方向的水平位移，固定模型底部的水平位移和垂直位移，使得幾何模型的6個邊界面中有5個面進行固定，并使其位移為0。

模型設定支護樁采用樁結構單元，冠梁采用梁結構單元，錨索采用錨索單元，樁間混凝土護壁采用殼結構單元(見圖4)。

2.4 模擬思路

根據現場施工工序進行基坑變形模擬，最大程度的反映現場實際情況?；娱_挖前先計算基坑初始地應力，并將計算的位移清零，然后模擬后續的施工和開挖，模擬程序如下：第一步，構筑基坑支護樁圍護結構，支護樁頂部構筑冠梁，圍護體系構筑后，進行第一層土體開挖，挖深4 m；第二步，加第一排錨索，并進行第二層土體開挖，挖深4 m；第三步，加第二排錨索，并進行第三層土體開挖，挖深5 m；第四步，加第三排錨索，并進行第四層土體開挖，挖深6 m，達到基坑底部設計標高。

模型的初始地應力計算中，僅設置重力加速度；基坑開挖過程中，結合實際情況，不對基坑周邊設置附加荷載；不考慮地下水的影響。

2.5 模擬結果及分析

1)基坑變形的模擬成果。a.X方向(水平向基坑內)變形。根據模擬，隨著基坑開挖工作的深入，基坑土體X向位移不斷增加。開挖第一步X向最大位移為1.56 cm(見圖5)，開挖第二步X向最大位移為1.79 cm(見圖6)，開挖第三步X向最大位移為2.20 cm(見圖7)，開挖第四步X向最大位移為2.30 cm(見圖8)。由X向位移云圖可知：基坑開挖過程中，基坑側壁的中上部卵石層變形明顯。隨著基坑開挖工作的繼續，基坑側壁位移呈現增大的趨勢。開挖第一步至第三步時，變化速率增大；開挖第三步至第四步時，變化速率減小。變化速率的減小主要是由于排樁和錨索控制了基坑土體的側向位移。b.Z方向(沉降)變形。根據模擬，基坑Z方向的變形主要體現在側壁土體向基坑內的位移和基坑底土體的隆起豎向位移兩部分(見圖9)。

基坑外側土體的沉降隨基坑開挖總體呈增大趨勢，開挖第一步時沉降量為0.39 cm，開挖第三步的沉降量為0.53 cm，第四步沉降量為0.61 cm(見圖10)，但總體沉降量不大。

由Z向位移云圖可知：基坑的開挖過程中，基坑豎向位移的量值和變化均不大，基坑外土體的沉降在開挖第四步時為0.61 cm，基坑內部土體的隆起量為2 cm～3 cm。排樁和錨索限制了基坑側壁土體的側向位移，限制了基坑的沉降量?；觽缺谕馏w沉降的特點是產生沉降的最大部位不在基坑邊緣，而在距基坑邊一定的距離，這個距離為6 m～10 m。

2)錨索軸力計算成果分析。錨索作用于支護樁，因此錨索的受力大小直接反映支護樁的受力和變形狀態。模擬過程中根據設計資料進行加載，第一排、第二排、第三排錨索施加的預加軸力分別為400 kN,300 kN,200 kN。

基坑開挖第四步時，第一排錨索軸力為2.97×105kN，第二排錨索軸力為3.47×105kN，第三排錨索軸力為2.75×105kN。第一排錨索軸力比預加軸力小，第二、三排錨索則較預加軸力大。

三排錨索中第二排錨索受力最大，說明基坑側壁中間偏上部位受力最大，變形最明顯。該部位為卵石層所在區域，與前述基坑水平位移在該部位變化最大緊密聯系。

3)基坑穩定性分析。根據數值模擬，基坑土體X向位移最大值為2.30 cm，基坑頂部土體Z向位移(沉降)最大值為0.61 cm，滿足GB 50497—2009建筑基坑工程監測技術規程要求的設計控制值和豎向位移報警值，基坑工程的穩定性較好。

3 結語

1)隨著基坑開挖，基坑側壁位移呈現增大的趨勢?；娱_挖過程中，卵石層位側壁變形明顯，位于該區域的錨索受力最大。2)基坑內部土體的隆起量為2 cm～3 cm?；油鈧韧馏w的沉降隨基坑開挖呈增大趨勢，最大沉降量為0.61 cm。沉降變形最大的部位不在基坑邊緣，而在距基坑邊界6 m～10 m的區域。3)卵石地層基坑支護重點是控制基坑側壁卵石土體的位移，基坑土體隆起一般不進行特別防護。4)預應力錨索錨拉懸臂樁的支護方式對卵石地層基坑支護有效?；咏邓苡行У慕档蛧o結構的水平壓力，對控制基坑變形、保證基坑穩定性很重要。

[1] 陳盛金.成都地鐵春熙路站砂卵石地層深基坑工程變形規律研究[D].成都：成都理工大學碩士學位論文，2011.

[2] 曹艷霞.深基坑開挖引起變形的數值模擬研究[D].武漢：華中科技大學碩士學位論文,2008.

[3] 李慶海.淺談砂卵石地區深基坑支護結構設計[J].西部探礦工程,2005,6(111):40-41.

[4] 高寶春.成都地區砂卵石地層建筑基坑回彈觀測[J].建筑技術，2006(19)：110-112.

[5] 李建強.成都地鐵巖土工程勘察[J].隧道建設,2008,28(1):34-39.

[6] 李國杰.成都地鐵天府廣場深基施工力學分析[D].成都：西南交通大學碩士學位論文,2005.

[7] 劉 波,[美]韓彥輝.FLAC原理、實例與應用[M].北京：人民交通出版社,2005.

[8] 彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京：機械工業出版社，2007.

[9] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社,2009.

Numerical simulation research on deformation of gravel stratum deep foundation pit in southwest of China

Wang Wenbin Zhang Heng He Wenxiu

(SichuanShutongGeotechnicalEngineeringCorporation,Chengdu610081,China)

Taking southwest a gravel stratum deep foundation pit engineering as an example, using FLA3D software made 3D numerical simulation analysis on the deformation features of the gravel stratum deep foundation pit, researched the deformation characteristics of deep foundation pit gravel stratum, the simulation results showed that, in deep foundation pit excavation process, the side wall deformation of gravel stratum section was obvious, the cable force was biggest located in the segment, the focus of gravel stratum of deep foundation pit support was control of the displacement of foundation pit side wall gravel soil.

gravel, deep foundation pit, numerical simulation

2015-01-29

王文斌(1982- )，男，工程師； 張 衡(1982- )，男，工程師； 何文秀(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)10-0062-03

TU463

A