基于FLAC3D的矩形深基坑穩定性三維數值分析研究

創新者：張旭康 王兄威 李朝軍 譚定新

基于FLAC3D的矩形深基坑穩定性三維數值分析研究

創新者：張旭康 王兄威 李朝軍 譚定新

以南寧市良慶大橋工程北錨碇基坑為工程實例，使用3DMine和ANSYS建立數值模型，運用FLAC3D進行數值模擬計算，分析矩形階梯深基坑的應力、位移、塑性變形區分布情況，研究其形成原因以及危險源所在。結合模擬計算得出的基坑邊坡在自然條件下的安全系數，確定基坑邊坡處于欠穩定狀態，應對邊坡進行支護加固。

隨著我國社會經濟的飛速發展，城市化進程不斷加快，作為承載城市交通運輸設施的道路橋梁工程建設也在不斷加大。在道路橋梁工程建設過程中，為了開挖和建筑穩定安全的基底結構，時常會形成各種臨時性或者長久性的基坑。而基坑的穩定情況決定著建設工程施工建設的安全和質量。對于深基坑，以往的計算方法主要有等值梁法、太沙基法、山肩邦男法、彈性梁法彈塑性法等。隨著計算機技術的迅猛發展，數值模擬方法被引入到設計分析研究中。對于深基坑邊坡的穩定性分析，以往的數值分析方法通常將三維問題簡化為一維問題或者二維平面問題。因其過度簡化，容易出現主觀失誤，也未能形象真實地反映深基坑應力和位移分布情況。本文使用礦業專業建模軟件3DMine和有限元軟件ANSYS強大的前處理能力，建立與工程實際相吻合的數值模型，運用三維快速拉格朗日差分軟件FLAC3D進行數值模擬計算，對南寧市良慶大橋工程北錨碇基坑進行數值模擬，據此分析了此類矩形深基坑的受力、位移、塑性變形區的分布情況，分析其受力機理以及邊坡的穩定性情況，提出安全合理的支護加固方案，達到指導此類基坑開挖設計、現場施工及支護加固的目的。

工程概況

南寧市良慶大橋位于南寧市青秀區與良慶區范圍內，位于青秀山風景區南側，五象新區北側，橋梁橫跨邕江。主橋橋型為單跨懸索橋+重力式錨碇，主橋橋跨420m，橋寬37.50m，雙向6車道。引橋采用砼連續梁。北岸引道接青環路，南岸引道接五象大道。南寧市良慶大橋工程北錨碇基坑位于邕江北岸，基坑平面形狀長方形，底部尺寸為52.5×60m，基坑地面最大高程為94.5m，基坑坑底設計標高為45m，基坑最大深度49.5m。基坑設置多級平臺放坡開挖，每級邊坡高約10m，邊坡之間設置馬道，寬度2m。北錨碇基坑開挖出露地層分別為最上層邊坡為人工填土及低液限粘土層，邊坡高度約5～10m；強風化硅質頁巖層邊坡高度約20～30m；基坑底面為灰巖層。

數值模擬

數值模型的建立

根據南寧市良慶大橋工程北錨碇基坑開挖設計CAD平面圖，以基坑底面矩形中心為中心點截取282.5×290m范圍作為建?；A，在3DMine中對所截取的CAD平面圖賦高程，形成三維基坑階梯以及三維地表，將處理好的三維模型導入ANSYS中，進行點、線、面、體處理，形成多組與地質資料相吻合的巖性且根據需要劃分好網格單元的數值模型。三維數值模型如圖1、圖2所示。

如圖1、圖2所示，根據工程地質資料和基坑設計資料，基坑共有4個階梯。其中基坑南側和西側邊坡較高，在第4個馬道之上還有3～9m不等的邊坡；東側和北側地勢低洼，低于第4個馬道，模型高度取高程10m平面至地表。

圖1　基坑三維數值模型

圖2　基坑三維地表模型

巖體力學參數

根據地質勘查部門提供的巖土體力學實驗報告結果與rocklab軟件計算，經過相應折減、計算，確定本次數值模擬巖土體力學參數，如表1所示。

邊界條件及介質力學模型

本次數值模型的位移邊界：在四個側面邊界臨界面上約束水平方向的位移，在模型底部邊界約束x、y、z三個方向的位移。介質力學模型采用摩爾-庫侖屈服準則，初始地應力條件僅考慮模型部分的巖土層的自重。

數值模擬計算與結果分析

根據基坑設計資料，本次模擬基坑開挖完畢后未做任何支護加固工作，在正常天氣條件下，基坑的穩定性情況。

表1　巖土體力學參數

圖3　基坑表面最小主應力

圖4　基坑橫切面最大主應力

圖5　總位移云圖

圖6　基坑塑性區

應力分析

隨著基坑從地表向地下不斷開挖，形成了矩形狀的基坑以及倒梯形的基坑邊坡，隨著基坑深度的加深，矩形面收窄，最終形成了矩形階梯狀的深基坑。如圖3、圖4所示，矩形深基坑開挖完畢后，最小主應力出現在矩形基坑底面坡底線、矩形基坑四條角線以及各個馬道臺階上，最大主應力在基坑表面表現不顯著，主要出現在各個邊坡及地表上。在FLAC3D中，由于壓應力為負，拉應力為正，因此可知開挖基坑后，在重力作用下，基坑側面巖土體發生位移，在基坑底面坡底線、矩形基坑角線以及各個臺階處造成擠壓剪切作用，在基坑邊坡和基坑附近地表上形成拉張應力。

位移分析

如圖5所示，最大總位移出現在基坑西側靠近地表的邊坡上，為26mm左右?？偽灰戚^大的區域從大到小依次為基坑西側上部邊坡、南側上部邊坡、東側上部邊坡靠近南側附近區域?？偽灰圃娇拷拥撞吭叫。诨酉虏窟吰滦纬梢曰拥酌鏋橹行牡幕刈中挝灰迫?。通過命令流，調出各方向上的位移，z方向最大位移為-22.5mm，出現在西側邊坡上部，負值說明為沉降量。水平最大位移上，西側為22mm，東側為13mm，南側為12.5mm，北側5.2mm，均出現在各側面上部邊坡中央區域上。形成原因為基坑開挖之后，在巖土體重力作用下，巖土介質向挖空區位移，基坑邊坡中央部分受限制較小，位移較大；而在矩形基坑角線上兩側邊坡巖體相互擠壓相互制約，位移較小；西側因為邊坡最高，表土層最厚，沉降量也最大。

塑形變形區及安全系數分析

如圖6所示，基坑塑性區以剪切塑性變形區為主，剪切塑性區主要形成于基坑下部第一級邊坡上，以及矩形基坑角線附近區域，西側剪切塑性變形區相對較大。西側上部邊坡分布少數的拉伸塑性變形區，其他各邊坡面有零星塑性區，并未形成連續區域。在自然條件下，求得基坑邊坡的安全系數為1.17，略小于規范要求的1.20，邊坡處于欠穩定狀態。

結語

（1）在矩形基坑中，剪切應力出現在基坑角線以及各邊坡坡底線附近區域，在各邊坡中央區域以及基坑附近地表區域形成拉伸應力。

（2）在矩形基坑中，基坑邊坡靠近地表區域位移較大；在各側邊坡中，邊坡中央區域位移最大。在該基坑中，西側邊坡最高，其表土層較厚，因此西側位移最大，也是潛在危險最大區域。

（3）在矩形基坑中，塑性變形區主要出現在第一級臺階靠近基坑底面的邊坡上，以及矩形基坑角線附近區域上。該邊坡處于欠穩定狀態，在降雨條件尤其是暴雨工況條件下可能會失穩，因此應對邊坡進行土釘加固支護。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.030