FLAC3D软件在基坑开挖模拟及支护改进的应用.pdf

第 54 卷第 17 期 2023 年 9 月Vol.54 No.17 Sep.20232153 建 筑 技 术 Architecture TechnologyFLAC 3D 软件在基坑开挖模拟及支护改进的应用赵宏洋（中铁十八局集团第五工程有限公司，300450，天津）摘要：在基坑工程施工中，保证开挖全过程基坑自身结构的安全性和稳定性尤为重要。以工程实例为依托，利用基础数据，结合 FLAC 3D 仿真计算软件，对基坑进行了建模和数值计算，进一步研究了基坑开挖过程中地基和基础的应力变形特性和沉降的变化。综合分析结果表明，数值模拟与工程实际基本吻合，能够在施工前很好地反映出现场情况。关键词：FLAC 3D；基坑工程；基坑支护；基坑模拟中图分类号：TU 473 文献标志码：A 文章编号：10004726(2023)17215304applIcatIon of flac3d softWaRe In foUndatIon pIt excavatIon sImUlatIon and sUppoRt ImpRovementZHAO Hong-yang(The 5th Engineering Co.,Ltd.of China Railway 18th Bureau Group,300450,Tianjin,China)abstract:In the construction of foundation pit engineering,it is particularly important to ensure the safety and stability of the whole process of excavation.based on engineering examples,this paper used basic data and FLAC 3D simulation software to conduct modeling and numerical calculation of foundation pit,and further studied the stress deformation characteristics and settlement changes of foundation and foundation in the process of foundation pit excavation.The comprehensive analysis results show that the numerical simulation is basically consistent with the actual project,and can reflect the site situation well before construction.Keywords:FLAC 3D;foundation pit project;foundation pit simulation;foundation pit support为保证深基坑施工与支护的安全稳定，在施工过程中要对深基坑支护结构和周边环境进行安全性分析，并及时提供反馈信息1。FLAC 3D 是一款连续介质力学分析软件，具有强大的计算功能和广泛模拟能力，在大变形问题分析方面具有独特优势2。应用该软件对基坑进行安全性分析，根据分析结果提出改进措施，可进一步优化方案，以降低事故发生的概率。1 工程概况杭州市某地块基坑平面形状接近矩形，平面尺寸为 85 m90 m，主楼 34 层，设 3 层地下室，基坑设计开挖深度为 15.35 m。工程地质情况和各土层的力学指标详见表 1，地下水主要为潜水和承压水，一般在地表下 0.381.53 m，地下水对混凝土无腐蚀性。工程采用 0.8 m 厚地下连续墙作为基坑支护结 构，挡土兼防渗帷幕，同时作为地下室外墙，即“两墙合一”方案，地下连续墙可起到一定的抗浮作用。为有效控制基坑变形，沿竖向设置 3 道钢筋混凝土内支撑。支撑的平面布置采用大角撑结合边桁架的方案，工程基坑围护的截面示意如图 1 所示。表 1 各土层力学指标层号土质重度/（kNm3）摩擦角/（）粘聚力c/kPa渗透系数 Kh/（104 cm/s）渗透系数 Kh/（104 cm/s）层厚/m 1杂填土15102.54 2素填土1081.02.5 1砂质粉土18.925142.121.2702.9 2砂质粉土19.030136.131.742.16.0 1粉砂夹粉土19.224152.723.672.67.8 2粉砂19.332113.191.881.77.9粉质粘土1915404.78.7粉质粘土18.712306.712.52 建立模型该工程模型是基坑开挖模型，主要分析周围土体的应力、应变和沉降。在基坑开挖时使用 FLAC 3D收稿日期：20230712作 者 简 介：赵 宏 洋（1996），男，河 北 涿 州 人，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 17 期2154800第一道支撑地下一层楼板第二道支撑地下二层楼板第三道支撑围檩围檩基础底板地下连续墙10 25015 3504 5505 5504 400900图 1 基坑围护典型截面示意软件对基坑支护进行模拟分析提出支护改进方案3。简化基坑工程，根据工程概况将开挖深度设 置 为 15.35 m，层 厚 为 25 m，基 坑 的 平 面 尺寸 85 m90 m，则 基 坑 的 建 模 尺 寸 可 以 设 置 为115 m120 m，模型的高度为 25 m。开挖模型的中部平面尺寸 85 m90 m，深度为 15.35 m 的基坑；设置网格密度为 1 m1 m1 m 的小正方体，模型共由345 000 个正方体构成。首先，计算得出土层的参数、体积模量、切变模量、内摩擦角、内聚力和抗拉强度，根据工程概况数据对各参数进行单位换算，以设置土体密度。其次，设置模型边界，通过对模型边界的限制，起到固定模型，避免位移的作用，几何模型 6 个边界面中，需固定 5 个面。最后，将重力加速度设置为 10 m/s2。3 基坑的开挖与支护模拟该工程的支护方法为地下连续墙支护和梁支撑，竖直方向共设置了 3 道梁支撑，在基坑开挖过程中分三步开挖。采用的支护方式是边挖边支护，可有效防止基坑在开挖过程中出现变形、坍塌等情况4。根据工程实际情况，采用梁支撑的方式对基坑四角进行支护，每层设置 58 道支撑，支撑形式包括横支撑、竖支撑和斜支撑。3.1 地下连续墙基坑开挖前要将地下连续墙砌入，避免因开挖导致的土体变形5，地下连续墙的厚度为 0.8 m、深度为 25 m。待地下连续墙位置确定后，设置地下连续墙参数，如材料密度、泊松比等，地下连续墙竖直方向上应力如图 2 所示。4.6624e+005 4.5000e+005 4.5000e+005 4.0000e+005 4.0000e+005 3.5000e+005 3.5000e+005 3.00006+005 3.0000e+005 2.5000e+005 2.5000e+005 2.0000e+005 2.0000e+005 1.5000e+005 1.5000e+005 1.0000e+005 1.0000e+005 5.0000e+004 5.0000e+004 0.0000e+000 0.0000e+000 1.5547e+004图 2 地下连续墙 z 方向上的应力图由图 2 可知，底层受到的应力最大，其值为0.46 MPa。数值的正负表示力的方向，正数为拉应力，负数为压应力，此时地下连续墙底层受到竖直向下的压应力，且压应力最大为 0.46 MPa。3.2 基坑的开挖及支护根据工程的实际情况，需要在地下深 1.8 m、6.35 m 及 11.85 m 处设置梁支撑，基坑整体开挖尺寸为 85 m、90 m 及 15.35 m。基坑开挖前应该将位移场清零、保存应力场，由于基坑为对称状态，在基坑两边设置监测点，监测点靠近基坑中点，每边布设两排监测点，每排设置 5 个监测点并编号，监测点间的距离为 2 m，一共设置 20个监测点。基坑开挖前，须依据坐标系确定开挖的具体范围，并基坑支护，采用边开挖边支护的基本原则，再根据实际工况、模型的尺寸和基坑开挖的尺寸确定支护结构的体系，同时确定每个梁支撑两端的点坐标6。最后确定梁支撑相关信息，建立完整的基坑开挖及支护结构体系。在运行命令后开挖并进行支护建模，开挖支护模型如图 3 所示。图 3 开挖支护模型2155赵宏洋：FLAC3D 软件在基坑开挖模拟及支护改进的应用 4 基坑开挖及支护的模拟分析通过对基坑进行受力分析，以此了解基坑的稳定性，进而测算基坑的安全性7。通过分析应力图和位移沉降图来判断基坑的稳定性和安全性。开挖支护的分析受基坑受力和沉降的影响，进而得到基坑开挖支护过程中的稳定性数据8。在 x 方向上两边受到拉应力，中间受到压应力；地下连续墙的中间受到周围土体对其的压应力，两边受到中部变形产生的拉应力。压应力的方向垂直指向基坑的方向，越靠近中部受到的压应力越大，越靠近两边受到的压应力越小，中部的压应力最大为 3.49 MPa，向两边靠近时压应力逐渐减小，直到压应力达到 0 MPa。之后压应力转换为拉应力，越靠近两边拉应力越大，越靠近中部拉应力越小，图中拉应力最大为 4.45 MPa，靠近中部时拉应力逐渐减小，直至为0 MPa。此时基坑变形趋势变得更大，因为有梁支持的存在，有效抑制了变形的发生；若没有梁支撑，基坑此时可能已产生了严重的变形，如图 4 所示。3.4884e+006 3.000+000 3.0006+006 2.000e+006 2.000e+006 1.000e+006 1.000e+006 0.0000e+000 0.000e+000 1.0000e+006 1.0000e+006 2.000e+006 2.000e+006 3.0000+006 3.000e+006 4.000e+006 4.000e+006 4.4519e+006图 4 开挖支护 x 方向应力y 方向两侧受拉应力，中间受到压应力，地下连续墙的中部受到周围土体的压应力，两侧拉应力是由中部变形引起的。应力方向在水平方向，并且指向基坑的方向，靠近中间的压应力越大，两侧的压力应力越小，中间最大压应力为 4.03 MPa，然后压力应力逐渐递减。当压力达到两侧时，压力应力达到 0 MPa。此后，压应力转化为拉应力，两侧拉应力最大，中心拉伸应力最小，拉伸最大应力为 4.42 MPa，之后应力逐渐减小直至 0 MPa，0 MPa 是压应力与拉应力相互转化的分界线。此时基坑受到的应力较大，容易导致基坑变形，为了防止基坑发生变形，故对支护的要求比较高，以确保基坑开挖支护后的稳定性，如图 5 所示。4.0325e+006 4.0000e+006 4.0000e+006 3.0000e+006 3.0000e+006 2.0000e+006 2.000e+006 1.000e+006 1.0000e+006 0.0000+000 0.0000e+000 1.00008+006 1.000e+005 2.0000e+006 2.000e+006 3.00008+006 3.0000e+006 4.0000e+006 4 000e+006 4.4166e+006图 5 开挖支护 y 方向应力由 z 方向上的受力分析可知，基坑最外部边上受到的应力最大，在边上随着深度的加深，所受到的应力逐渐减小，外部边上受到的最大应力为 1.55 MPa，最小的应力为 0.40 MPa；在基坑底部，坑底所受到应力较小，随着深度变大，应力也随之变大，越靠近基坑坑底应力越小。对基坑底部而言，受到的最大应力为 0.40 MPa，方向竖直向下；之后压应力逐渐减小，并转化为拉应力，受到最大拉应力为 0.09 MPa，位置在接近基坑坑底的表面处，并且方向向上，由此基坑坑底出现隆起趋势，如图 6 所示。1.5537e+006 1.4000+006 1.4000e+006 1.2000e+006 1.2000e+006 1.0000e+006 1.0000e+006 8.0000e+005 8.0000e+005 6.000e+005 6.0000e+005 4.000e+005 4.0000e+005 2.0000e+005 2.0000e+005 0.000e+000 0.0000e+000 8.7308e+003图 6 开挖支护 z 方向应力基坑长边沉降的影响范围大于短边沉降的影响范围，同时沉降会随着基坑深度的加深而增大。在开挖支护过程中，坑底位置显现出凸起的趋势；基坑边上的沉降在中间位置最大，两边沉降相对较小，且最大沉降位移为 325 mm。沉降的最大允许范围为50 mm，此时沉降不在允许范围，基坑产生向下沉降现象，则会造成基坑的不稳定。由于基坑在开挖支护后稳定性变差，则会给在后续的施工中埋下隐患，由此可知模拟是有缺陷的，实际施工中要对其进行改进，如图 7 所示。3.2456e001 3 0000e001 3.0000e001 2.0000e001 2.0000e001 1.0000e001 1.0000e001 0.0000e+000 0.0000e+000 1.0000e001 1.0000001 2.0000e001 2.0000e001 2.6532e001图 7 开挖支护沉降建 筑 技 术第 54 卷第 17 期21565 支护模拟改进方案由于之前模拟过程中沉降较大，造成基地基础不稳定，不利于接下来的施工，所以提出相应的改进方案。其改进方案如下。（1）对模型的边界施加限制条件，这样更能够符合实际情况。（2）支护时给每层梁支撑增加斜撑数量，不仅可使支护结构的强度有所增加，还可有效控制沉降。通过改进方案，对基坑沉降进行了重新模拟。在改进方案后，通过支护模拟的结果可以看出改进方案已取得较好的效果，说明改进方案是有效的。在整体上基坑四周呈现沉降的趋势，四周底部呈现凸起的趋势，在边上中间位置沉降最大，沉降最大为 26.5 mm，边上其他位置沉降最大为 25 mm；在基坑坑底呈现出凸起的趋势，越靠近坑底的中心凸起的数值就越大，在坑底边凸起处的数值最小。沉降数值由原来的 325 mm 变为现在的 26.5 mm，说明改进方案起到了至关重要的作用。地下连续墙底部随着开挖深度的增加也产生了沉降现象，其沉降的最大值为25 mm，这对基坑的稳定性实际上并没有影响，后续的施工可正常进行，基坑整体沉降如图 8 所示。2.6560e002 2.5000e002 2.5000e002 0.0000e+000 0.0000e+000 2.5000e002 2.5000e002 5.0000e002 5.0000e002 7.5000e002 7.5000e002 1.0000e001 1.0000e001 1.2500e001 1.2500e001 1.5000e001 1.5000e001 1.7500e001 1.7500e001 2.0000e001 2.0000e001 2.1319e001图 8 基坑整体沉降截面各个位置的沉降是在基坑边上部位置发生的沉降，沉降的最大值为 26.8 mm，其他位置会出现略微的隆起。在地下连续墙底部的位置也出现了小幅沉降，在基坑坑底中心位置隆起最为明显，在基坑底部随着深度的增加，发生隆起现象越不明显。依据规范可知沉降最大允许范围是 50 mm，在经过改进开挖及支护完成后的沉降最大值为 26.8 mm，在沉降最大允许范围内，符合设计规范，基坑截面沉降如图 9 所示。2.6849e002 2 5000e002 2.5000e002 0.0000e+000 0.0000e+000 2.5000e002 2.5000e002 5.0000e002 5.0000e002 7.5000e002 7.5000e002 1.00006001 1.0000001 1.2500e001 1.2500e001 1.5000e001 1.5000e001 1.7500e001 1.7500e001 2.0000e001 2.0000001 2.13040001图 9 基坑截面沉降由图 9 可以看出此时沉降呈现有规律的梯度变化，越向上的位置沉降越大。经过放大处理后可知越靠近地下连续墙的位置发生的沉降越大，沉降为26.8 mm；越向左边其发生的沉降越小，上部发生沉降的最小值为 7.5 mm。随着深度的增加，沉降大小也随之减小，在图 9中左下角的位置，沉降达到最小值为 4.0 mm，通过分析可以得到准确的模拟结果，基坑在整个开挖及支护的过程满足实际施工需求，故可以按照此方法进行支护。与此同时，基坑在开挖支护过程中稳定性很好，可以保证施工顺利地进行，故此次模拟可应用于实际工程中，基坑截面分析如图 10 所示。2.6849e002 2.5000e002 2.5000e002 2.25008002 2.2500e002 2.0000e002 2.0000e002 1.7500e002 1.7500e002 1.5000e002 1.5000e002 1.2500e002 1.2500e002 1.0000e002 1 0000e002 7.5000e003 7.5000e003 5.0000e003图 10 基坑截面分析6 结束语以杭州文化产业 A03 地块综合项目基坑工程为依托，利用 FLAC 3D 仿真计算软件建立基坑开挖模型，对此工程中的基坑开挖及支护进行数值模拟，根据数值模拟的结果对其安全性和稳定性进行分析。FLAC 3D 软件的应用可为基坑安全性和稳定性提供更加真实准确的结果，也会为以后的研究提供相关的资料。参考文献1 管红兵.FLAC3D 数值分析软件在深基坑工程中的应用探析 J.安阳工学院学报,2021,20(2):8285.2 杨啡,邓辉,曾阳益.云南古水水电站巨型堆积体演化过程及稳定分析 J.人民长江,2016,47(21):5256.3 张辉,周贵贵,何仕英,等.基于 FLAC3D 的地铁车站基坑开挖数值模拟 J.市政技术,2021,39(4):115118,127.4 赵旭东.基坑开挖对基坑及邻近建筑物的变形影响研究 J.辽宁省交通高等专科学校学报,2022,24(1):1417.5 张洁玲,赵玉成,贾康琪.FLAC3D 软件在某地铁车站深基坑开挖中的运用 J.广东交通职业技术学院学报,2018,17(2):4146.6 侯景鹏,邢继光.用 FLAC3D 分析地铁车站基坑开挖与支护 J.东北电力大学学报,2018,38(3):6771.7 孙超,岳广泽,李明熹.基于 FLAC3D 数值模拟的基坑支护桩桩顶位移影响研究 J.吉林建筑大学学报,2020,37(2):2832.8 徐孟龙,王辉.某住宅楼基坑支护 FLAC3D 数值模拟分析 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