基于FLAC3D的深基坑土釘墻支護數值模擬

周浩文 邱丁山 鄒先義

摘 要：以某小學深基坑工程為例，通過FLAC3D建立了基坑開挖的三維模型，對基坑開挖過程及土釘墻支護進行模擬，分析了水平位移及土釘墻受力特點，水平位移隨開挖過程不斷增大，沿基坑深度呈“C”型分布，最大位移達18mm;土釘最大應力在靠近坡面位置，混凝土面層彎矩沿深度逐漸增大。研究表明，土釘墻支護方案是可行，能夠有效地抑制基坑變形，保證基坑的安全穩定。

關鍵詞：深基坑;土釘墻;FLAC3D;數值模擬

中圖分類號：TU476 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0132-03

Abstract： Taking a deep foundation pit project in a primary school as an example， a three-dimensional model of foundation pit excavation was established by FLAC3D， and the process of foundation pit excavation and soil nailing wall support were simulated. The horizontal displacement and the stress characteristics of soil nailing wall were further analyzed. The horizontal displacement increased with the excavation process and distributed in a "C" shape along the depth of foundation pit， with the maximum displacement reaching 18mm. The maximum stress of soil nail was near the slope， and the bending moment of concrete surface layer increased gradually along the depth. The research shows that the soil nailing wall support scheme is feasible， which can effectively restrain the deformation of foundation pit and ensure the safety and stability of foundation pit.

Keywords： deep foundation pit;soil nailing wall; FLAC3D;numerical simulation

隨著城市建設規模不斷擴大，深基坑工程越來越多。土釘墻支護具有施工方便、經濟可靠等特點，在基坑施工中應用較廣[1]。但是，對于基坑的穩定和變形分析往往是通過工程經驗總結，不能定量地對基坑安全進行評價[2]。FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Contunua）程序是由美國ITASCA咨詢集團公司開發的三維顯式有限差分程序，目前已廣泛用于巖土工程的數值分析[3]。該程序內置了11種材料本構模型，包含1種空模型、3種彈性模型和7種塑性模型，其中，空模型非常適用于基坑開挖模擬;其豐富的結構單元如梁單元、錨索單元、樁單元、殼單元、土工格柵單元、襯砌單元等可以模擬基坑工程中各種常見的支護結構形式。本文基于FLAC3D三維有限差分程序，建立了某深基坑土釘墻支護FLAC3D模型，對基坑開挖過程進行定量分析，以指導實際工程施工，輔助工程決策。

1 工程概況

四川省遂寧市某小學深基坑工程，基坑深6m，施工場地地層由上至下主要為粉質黏土層，卵、礫石層和強風化泥巖層，產狀水平，土層參數見表1。考慮到基坑開挖可能會產生較大變形，采用土釘墻對深基坑進行支護，結合實際地質情況，共設置4層土釘，入射角度15°，長度9m，土釘采用B20二級螺紋鋼筋，水平間距和垂直間距均為1.5m。

2 三維有限差分模型

研究表明，模型影響范圍按左邊界至坡腳的距離取1.5H（基坑深度），坡頂至右邊界取2.5H，坡頂至底部取2H較為合理[4]。模型兩側限制水平位移，底部固定，首先求解初始應力場至平衡態，然后分4步開挖，每步開挖1.5m，開挖后施加土釘和混凝土面層，土釘施加于距離每次開挖坡底0.5m處。

土體的本構模型采用基于Mohr-Coulomb屈服準則的理想彈塑性模型。土釘采用Cable單元模擬，FLAC3D中的Cable單元由多個兩節點之間具有相同截面積及材料參數的直線段構件組成，為彈塑性材料，可以受拉和受壓，但不能抵抗彎矩，能較好地模擬土釘的力學性能;混凝土面層（C20，厚度100mm）采用Shell單元模擬，Shell單元由多個3節點等厚度三角形構件組成，每個構件可視為各向同性的線彈性材料，且無破壞極限，適用于模擬忽略橫向剪切變形的薄膜結構[5]，此處用來模擬土釘墻的混凝土面層較為合適。FLAC3D深基坑支護模型見圖1。

3 計算結果

3.1 位移分析

根據計算結果可知，基坑邊坡水平位移隨著開挖的進行逐漸增大，水平位移的形態沿著基坑深度呈近似“C”型分布，中間大，兩頭小，基坑深度2～4m變形較大;第4步開挖時（即開挖4.5～6.0m時），距離地表2.5m處水平位移最大，達17.1mm，相對位移為0.3%，未達到國家規范《建筑基坑工程監測技術規范》（GB 50497—2009）要求的預警值。可見，該支護方案是可行的。為了確保基坑時刻處于安全穩定的狀態，實際施工時應密切關注中間部位的水平位移，加強監測，必要時對局部區域進一步進行加固。各開挖步基坑水平位移隨深度變化關系如圖2所示。

3.2 土釘墻受力分析

基坑開挖完成后，各層土釘應力及混凝土面層最大彎矩分布如圖3所示。從圖3可知，各層土釘應力最大值位于靠近坡面約1m處，第三層土釘受力最大，應力達105.8MPa，但仍在屈服極限范圍內。面層彎矩基本上隨著深度逐漸增大，最大值位于距離坡腳0.5～1.0m處，最大彎矩達7.89kN·m。

4 結論

本文以某學校深基坑為例，通過FLAC3D建立了深基坑開挖和土釘支墻護的三維有限差分模型，模擬了基坑開挖動態過程，對基坑水平位移和土釘墻受力情況進行分析。計算結果表明，土釘墻支護方案是安全可靠的，能有效抑制基坑變形，維持基坑穩定，對實際工程施工具有重要的指導意義。

參考文獻：

[1]羅曉輝，何立紅. 基坑開挖土釘墻支護穩定性的優化分析[J]. 巖土工程技術，1998（3）：9-13.

[2]馬宏，季聰，楊瑞剛，等.利用FLAC3D對基坑支護數值模擬分析[J].世界地質，2013（4）：857-861.

[3]Itasca Consulting Group， Inc. FLAC3D users manuals[M]. USA： Itasca Consulting Group Inc，2003.

[4]張魯渝，鄭穎人，趙尚毅，等.有限元強度折減系數法計算土坡穩定安全系數的精度研究[J].水利學報，2003（1）：21-27.

[5]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].2版.北京：中國水利水出版社，2013.