基于FLAC3D分析深基坑开挖过程对毗邻区域的影响_管红兵.pdf

第 卷 第期 年 月成都工业学院学报 ，：收稿日期：基金项目：安徽省教育厅自然科学研究重点课题（）；安徽省住房城乡建设科学技术计划项目（）；安徽省教育厅教学研究项目（）；安徽省教育厅质量工程项目（）第一作者简介：管红兵（），男，讲师，硕士，研究方向：岩土工程，电子邮箱：。基于 分析深基坑开挖过程对毗邻区域的影响管红兵，朱永祥（滁州职业技术学院 建筑工程学院，安徽 滁州）摘要：为有效预控深基坑工程施工风险，采用 数值模拟软件，以某地铁车站深基坑工程为研究对象，通过模拟深基坑土方开挖、内支撑搭设等工况，分析深基坑开挖过程对毗邻区域的影响。研究得出了深基坑开挖各工况状态下，基坑周边地表沉降的特征规律及发展趋势，即沉降曲线表现为凹形形状，且沉降量随土方开挖深度增加而加大，此外，深基坑围护结构水平方向位移特征整体呈现为弓形曲线形状，围护结构同一位置的水平位移随基坑开挖深度增加也相应增加。关键词：深基坑；地表沉降；水平位移中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；地铁具有载客量大、运行效率高、利用地下空间且对地面交通不产生影响的优点。但是，在建造地铁线路及站点时，由于涉及到暗挖以及深基坑工程，特别是处于城市主干道、城市核心区域的地铁车站建设，周边建筑密集、地下管线复杂，这都使得地铁的建设风险相对较高。本文以国内某轨道交通项目地下站点建造为例，探究地铁站点深基坑支护条件下，基坑开挖各过程工况下，对毗邻区域环境的影响范围和程度，为工程建设减少风险提供参考。深基坑工程的特点深基坑工程常用的支护方式有地下连续墙、钻孔灌注桩围护结构结合内支撑或钻孔灌注桩结合外锚杆、钢板桩围护结构等。深基坑开挖过程中，由于坑内土体被挖除，开挖面以上的围护结构部分受到了坑外土体主动土压力作用，导致围护结构向坑内产生水平位移，而坑外土体和坑底土体又会因为围护结构的扰度变形而发生相应变位，即表现为坑外土体地表发生不同程度的沉降变形、坑底土体则成都工业学院学报：第 卷发生不同程度的隆起变形。与深基坑毗邻的建筑物将随周边地表的沉降变形而产生不均匀沉降和裂缝，进而影响其正常使用甚至发生损坏。因此，对深基坑开挖过程进行预警分析，采取信息化技术指导施工，可以规避施工风险的发生。工程基本情况应用 软件对某地铁车站的基坑开挖过程建模。通过模型构建、参数赋值、工况模拟、计算处理等步骤，在各种工况下，对基坑周边土层地表沉降以及支护结构力学变化等进行分析，提取监测点的变化数据，应用相关软件完成规律曲线绘制，发现其变化规律和特点，通过和现场监测数据对比，验证其实用性。本工程涉及的地铁车站为国内某在建轨道交通地下换乘站，车站主体结构长度 ，标准段宽度，结构底板埋深约 。车站处于城市核心地带，周边建筑管线集中，施工难度较大，为典型深基坑工程。根据施工方案，采用钻孔灌注桩内支撑方式对基坑进行支护。在支护结构保护下，自上而下分步明挖基坑内土体。本工程采用的钻孔灌注桩直径为 ，桩中心距 ，基坑内自上而下依次设计有 道水平支撑，其中第 道水平支撑采用混凝土 现浇而成，其余 道水平支撑采用装配式钢管。工程模型搭建由于工程基坑具有长而窄的形状特征，为节约后期计算成本，在充分考虑基坑的实际受力特点后，只选取基坑长边中部标准段作为建模对象。模型尺寸设计在满足基坑开挖空间的同时，还应将基坑周边一定范围的土体包括在建模范围内。基坑开挖对周边环境的水平影响范围应达到基坑开挖深度的 倍值，对基坑下卧层土体深层影响应达到基坑开挖深度的 倍值，而对范围之外的土体影响几乎为零。因此，所建模型尺寸确定为 。这里规定模型纵向为长度方向，模型横向为宽度方向，模型竖向方向为深度方向。模型 个端面除顶面模拟自由地表面外，其余 个端面均需要设置位移约束。为了提高运算效率，网格划分近密远疏，最终建立的模型见图。图 模型 工况模拟假定及分析参数确定.计算条件假设及参数取值工况模拟时，先将部分参数进行简化假定。）忽略土层分布的起伏变化，假设各土层分布为水平状。）根据地质勘查报告，经过适当简化处理后，工程所涉及到的土层相关参数设定见表。）本工程围护结构设计为钻孔灌注桩，从受力角度分析，桩体与地下连续墙的受力方式相似。为简化建模，采取刚度等效转换，将钻孔灌注桩用同刚度地下连续墙替代，等效后的地下连续墙厚度为.，弹性模量取值 ，泊松比.。）基坑内外土体采用摩尔库伦本构模型的实体单元模拟，地下连续墙也采用弹性模型的实体单元模拟，水平支撑采用结构单元 模拟，水平支撑的计算参数见表。表 土体计算参数土层厚度 重度（）黏聚力 泊松比 内摩擦角（）弹性模量 体积模量 剪切模量 杂填土.粉质黏土.强风化岩.中风化岩.年第 期 管管红红兵兵，等等：基基于于 分分析析深深基基坑坑开开挖挖过过程程对对毗毗邻邻区区域域的的影影响响表 水平支撑计算参数支撑类型截面形状截面面积 弹性模量 泊松比 轴惯性矩 轴惯性矩 极惯性矩 钢筋混凝土支撑矩形.钢支撑圆环形.模拟工况设定根据施工方案，本工程基坑开挖分阶段进行，需完成 次土体开挖、道支撑施工，因此，需要设置 种工况：工况：自地表向下开始第 次土方开挖，此时开挖深度为 ；工况：继续向下完成第 次土方开挖，开挖深度达 ，并完成第 道钢筋混凝土支撑施工；工况：向下继续开挖至地表以下 位置，完成第 次开挖，并安装第 道水平钢管支撑；工况：继续向下开挖至基坑底部设计标高，并完成第 道水平钢管支撑的安装，最终完成整个工程的基坑土体开挖。模型应用分析.土体初始应力场形成和分析基坑开挖前，土层中存在自重应力，为真实反映场地实际状况，需要先模拟出土体的初始应力场，然后，将应力产生的应变位移等恢复为，以此作为研究基坑开挖条件下地层变位变形的初始条件。土体初始应力场的形成，可以通过对模型设置重力加速度条件，然后完成不平衡迭代计算，即可求解出土体初始应力场，图 为、方向的土体初始应力云图。图 表明土体内初始应力分布较均匀，随土体埋深增加而相应增加，符合土中重力应力场的基本特征。（）方向 （）方向 （）方向图 土层内初始应力云图.各工况下土体竖向位移变化分析采用 空模型模拟各阶段工况基坑内土体开挖步骤，然后应用 完成各开挖工况下土体内竖向位移变化监测，提取相应的位移云图（见图），以反映基坑周边土体不同程度的地表沉降以及坑底不同部位的隆起变形情况。（）工况 完成后（）工况 完成后成都工业学院学报：第 卷（）工况 完成后（）工况 完成后图 各工况阶段完成后土体竖向位移云图 工况 完成后，此时基坑开挖深度较小，只有，尚未施工内支撑，从图 可知，基坑外靠近基坑的部位地表有沉降现象发生，坑底土体表现为隆起现象。但和后续工况运算结果相比，这一阶段地表沉降或坑底隆起变形量值总体相对较小。工况 完成后，开挖深度为 ，还完成了第 道水平支撑安装，该阶段地表沉降的范围扩大，坑底隆起变形量值增大，说明土体变形受到基坑开挖深度的影响较大。工况 完成后，开挖深度已达到 ，相应形成的地表沉降范围有较大的扩大，坑底隆起变形量值有较大增加。当工况 完成后，地表沉降的范围进一步扩大，坑底隆起变形量值也同样进一步扩大。为进一步掌握基坑开挖对周边环境的影响，预先在模型上布置监测线。自基坑坑边起沿监测线每隔 布置 个监测点位，共布置到坑边 范围。记录并提取基坑开挖各工况下监测点的沉降变形数据，如图 所示。图 反映出随基坑土方开挖，对坑外周边环境产生一定影响，表现在坑外一定范围内地表土层出现随空间位置不同以及随工况阶段而变化的地表沉降。）从空间上分析，距离基坑边不同远近位置的监测点所记录的沉降量不同，总体呈现出凹形形状的分布特点，即先增大随后随着同基坑边的距离增加而出现沉降量值逐步减少的变化趋势，最终接近无沉降状态。这也说明了基坑开挖对周围土体的影响有一定范围，若超出该范围，则几乎不产生任何影响。由图 可知，沉降量最大的点位于基坑边 左右，按基坑开挖深度 计算，即大约在基坑开挖深度.倍的距离。另外，在距基坑边 以外的监测点，地表沉降量近乎为，这个边界距离大约为基坑开挖深度的 倍，这也和本案例模型建立时所考虑的影响范围边界结论一致。）从时间上分析，同一个监测点位在不同的开挖工况阶段，沉降量逐步加大，说明随着基坑开挖深度的增加，围护结构在后方被动土压力的作用下，产生向基坑内位移，由此引发周围地表沉降量增加，本工程中工况 完成后，该阶段的地表沉降达到了最大值。图 各工况基坑周边地表沉降变化曲线.各工况下围护结构水平位移模拟结果分析对各工况通过计算分析，提取 轴方向的位移云图，见图，以反映围护结构在不同工况下产生的水平位移分布情况。（）工况 完成后 年第 期 管管红红兵兵，等等：基基于于 分分析析深深基基坑坑开开挖挖过过程程对对毗毗邻邻区区域域的的影影响响（）工况 完成后（）工况 完成后（）工况 完成后图 各工况阶段完成后水平方向位移云图将所监测的桩体自上而下每隔 设置 处监测点位，提取各工况计算结果中每个监测点的水平位移变化量值，绘制围护结构水平位移变化曲线，见图。由图 可知，随着各工况的完成，基坑内土体被逐步挖除，基坑外土体向坑内移动，并作用在围护结构上，导致围护结构向坑内弯曲变形。基坑开挖初期，土体开挖深度较小，坑外土体作用于围护结构上的主动土压力较小，围护结构产生的水平位移也相应较小，但随着基坑开挖深度增加，围护结构的水平位移也不断增加，并在围护结构接近基坑坑底的位置出现最大水平位移，最终在完成工况 后，达到最大值 左右。而基坑坑底以下围护结构由于各支撑已经发挥出抗力作用，而且车站底板结构也完成浇筑，同样发挥出了类似于支撑抵抗的作用，因此，围护结构下端部位的水平位移又逐步从最大值收敛变小，从整体上看，围护结构在各工况下的水平位移基本呈现出弯弓形状。图 围护结构水平位移变化曲线.模拟结果与监测结果对比分析为验证 软件在深基坑模拟分析中的实用性，将监测结果和模拟结果进行对比，如图、图 所示。图 各工况地表沉降监测数据和模拟数据对比由图 可以看出，同样的工况条件下，监测结果和数值模拟结果在量值上存在不一致。实际监测的最大沉降量为.，而数值模拟的最大沉降量为.。但地表沉降曲线在形态上表现一致，即都呈现出凹形形状，且地表沉降最大值出现的位置也基本接近，模拟结果出现在距离基坑边 左右，实际监测结果出现在距基坑边 左右。分析其原因主要是模拟的工况环境和真实的施工环境还是成都工业学院学报：第 卷存在一定区别，没有考虑存在的施工机械、材料堆放的地面超载，且对雨水渗入土体内部从而降低土体的力学作用也没有考虑。图 各工况围护结构水平位移监测数据和模拟数据对比由图 可知，对于不同工况下围护结构水平位移，实测结果和模拟结果总体变化趋势一致。只是在水平位移量值上存在差别，同一围护结构位置，实际监测结果要大于模拟结果，主要是模拟分析没有考虑到实际施工环境中诸如降水等影响因素，以及围护结构与周围土体之间的相互作用等。从曲线形态上看，总体变化趋势也一致，各工况监测曲线和模拟曲线较为接近。另外，实际监测结果曲线存在若干折点，这些折点的出现是由于各道内支撑架设后，对围护结构的变形起到抑制作用，而模拟曲线则相对顺滑，主要还是工况模拟还不能完全真实反映出支撑和围护结构之间的相互作用。结论本文采用 对深基坑开挖过程进行模拟分析，得到 点结论：）基坑周边地表和坑底隆起是基坑土方开挖过程中土体应变响应形成的 项明显特征。随着基坑开挖深度的增加，无论地表沉降或坑底隆起都有增加，且范围上也有扩大，说明基坑开挖深度对土体变形存在较大影响。）围护结构在基坑开挖过程中，受到坑外土体的土压力作用，引起围护结构向坑内水平方向位移，同一位置水平位移随基坑开挖深度增加而相应增加，不同位置水平位移表现为弓形形状，即两头小，中间大。参考文献：王涛，韩煊，苏凯，等.数值模拟方法及工程应用：深入剖析 .版.北京：中国建筑工业出版社，：.李思康，李宁，冯亚娟.施工组织设计.北京：化学工业出版社，：.李佳宇，张子新.快速入门与简单实例.北京：中国建筑工业出版社，：.陈彪.地铁车站深基坑开挖与支护方案优化的研究.合肥：合肥工业大学，.林志斌