FLAC3D模拟实例循环开挖与支护

FLAC模拟隧道开挖支护的实例FLAC3D3.0在某隧道工程开挖支护中的应用隧道建模命令流入下：set log onset logfile yang.loggen zon radcyl p0 0 0 0 p1 9.0 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 8 &size 4 20 6 4 dim 6 5 6 5 rat 1 1 1 1 group 围岩gen zon cshell p0 0 0 0 p1 6.0 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 5.0 &size 4 20 6 4 dim 5.6 4.6 5.6 4.6 rat 1 1 1 1 group 初期支护gen zon cshell p0 0 0 0 p1 5.6 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 4.6 &size 4 20 6 4 dim 5.0 4.0 5.0 4.0 rat 1 1 1 1 group 二次衬砌 fill group 原岩gen zon radcyl p0 0 0 0 p1 0 0 -8.0 p2 0 50 0 p3 9.0 0 0 &size 4 20 6 4 dim 3 6 3 6 rat 1 1 1 1 group 围岩2gen zon cshell p0 0 0 0 p1 0 0 -3.0 p2 0 50 0 p3 6.0 0 0 &size 4 20 6 4 dim 2.6 5.6 2.6 5.6 rat 1 1 1 1 group 仰拱初期支护gen zon cshell p0 0 0 0 p1 0 0 -2.6 p2 0 50 0 p3 5.6 0 0 &size 4 20 6 4 dim 2 5 2 5 rat 1 1 1 1 group 仰拱二次衬砌 fill group 仰拱原岩gen zone reflect normal -1 0 0gen zone radtun p0 0 0 0 p1 45 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 20 &size 3 20 3 12 dim 9 8 9 8 rat 1 1 1 1.1 group 围岩3gen zon reflect dip 0 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z 8 20gen zon reflect dip 0 ori 0 0 0 range x 9 45 y 0 50 z 0 20gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z 8 20gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z -8 -20gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 9 45 y 0 50 z -20 20gen zon brick p0 -45 0 -20 p1 -45 0 -40 p2 -45 50 -20 p3 45 0 -20 &size 5 20 6 rat 1.1 1 1 group 围岩4save tun_model.sav假设围岩岩体符合mohr-coulomb本构模型，给围岩赋参数命令流如下，; mohr-coulomb modelmodel mohrdef derives_mod1=E_mod1/(2.0*(1.0+p_ratio1))b_mod1=E_mod1/(3.0*(1.0-2.0*p_ratio1))s_mod2=E_mod2/(2.0*(1.0+p_ratio2))b_mod2=E_mod2/(3.0*(1.0-2.0*p_ratio2))endset E_mod1=0.6e9 p_ratio1=0.27 E_mod2=0.8e9 p_ratio2=0.26deriveprop bulk b_mod1 shear s_mod1 cohe 1.8e6 tens 0.8e6 fric 30 range z 4.5 20prop bulk b_mod2 shear s_mod2 cohe 2.8e6 tens 1.0e6 fric 35 range z -40 4.5ini dens=2300set grav 0 0 -10; boundary and initial conditionsapply szz -1.4e6 range z 19.9 20.1fix z range z -40.1 -39.1fix x range x -45.1 -44.9fix x range x 44.9 45.1fix y range y 49.9 50.1hist unbalhist gp xdis 6.0,0,0hist gp zdis 0,0,5hist gp xdis 6.0,50,0hist gp zdis 0,50,5plot hist 3solvesave tun_nature.sav对后面计算而言，模型建立时岩体在开挖前认为位移已经终了，因此需要对位移进行“清零”，而应力可以保留。

基于FLAC3D的高速公路隧道两种开挖方式稳定性分析采用数值计算对高速公路隧道施工过程进行分析，得到了施工过程中围岩的变形和支护结构的受力状态。

结果表明，随着开挖的推进，中隔墙上部以及洞侧壁处围压变形和应力较为集中，易产生相关地质灾害。

所以，在相关工程施工过程中应该对以上部位进行高质量的支护防灾。

对于底部在中墙位置隆起较为严重，所以应该加强此处的加固措施，条件允许是可开挖较深施做浅基础。

标签：隧道；围岩；数值计算1 概述近年来，随着经济建设及基础设施的快速发展，我国对于高速公路的需求越为强烈。

为更好的选线施工，减少施工期间地质灾害的威胁，方便施工以及满足交通需求，必须开山造路或者凿洞通路，这也就面临隧道开挖相关复杂地质问题。

目前，山岭隧道越来越多，比如川兰铁路的山岭隧道占到了线路总长的一半，而山岭隧道所遇到的围岩复杂多变，构造运动影响强烈，隧道断面的跨度也越来越大，所以不同的断面形式在一定方面适应复杂地区隧道的开挖。

随着开挖期间的多期次开挖扰动使得岩体强度明显减弱，岩体破碎严重，其自身稳定性明显降低，同时也造成后期施工难度加大，软弱夹层地带更为明显，易产生类型及机制较为复杂的地质灾害。

本文在基于FLAC数值软件的计算下，主要对Ⅵ级围岩下的大跨度隧道在不同的开挖方式下其对应围岩稳定性进行对比分析研究。

2 计算方案2.1 计算模型某隧道长约270m，围岩为Ⅴ、Ⅵ级，开挖跨径最大为37.0m，埋深最大为75m。

研究区地貌主要为侵蚀山地和剥蚀山地，地层岩性主要为人工填土、碎石、粉砂泥质岩和泥岩组成，隧道入口所出露岩性为残破积亚粘土夹碎石。

整个隧道橫穿山岭地带，且隧道入口比较陡峭，坡度角约为50°，隧道出口较入口比较缓，坡角约30°。

以隧道入口所出露岩性为研究对象，运用FLAC3D软件建立三维地质及结构模型（见图1）。

由于数值模型的建立必然会受到边界效应的影响，所以在所建模型之时，将模型埋深取为48.5m，隧道左右内壁距模型边缘均为50m，沿隧道垂直走向方向长度为120m，隧道内壁顶部距底部边界为40m，沿隧道走向方向长度为10m。

FLAC D3深基坑的开挖与支护的命令流一、实例工程南宁地区地层属于河流阶地二元地层，广泛分布有较厚的圆砾层，国内尚无在类似地层条件下建设地铁基坑的经验，为此，可使用FLAC3D 对基坑开挖的全过程进行三维数值模拟，在对比实测数据的基础上，总结圆砾层中地铁车站深基坑的地下连续墙水平变形及周围地表沉降变形特征。

该基坑位于大学路与明秀路交叉路口处，沿大学东路东西向布置。

车站基坑长465m，标准断面宽度为20.7m，为地下两层式结构，底板埋深为15.535m（相对地面），顶板覆土厚度大于3m。

本工程主体建筑面积21163.6m2，主要结构形式为双柱三跨框架箱型结构。

本工程所处的大学路为南宁市东西向的主要交通枢纽，车流量大，人流密集，地面条件复杂。

基坑施工采用明挖顺作法施工，围护结构为800mm厚地下连续墙+内撑（三道内支撑加一道换撑）的支护体系。

第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，尺寸为800×900mm，冠梁同时作为第一道钢筋混凝土支撑的围檩。

第二、三道支撑及换撑使用钢支撑并施加预加力，直径为609mm，壁厚为t=16mm，斜撑段采用800×1000mm钢筋砼腰梁，其余为2×I45C 钢围檩。

二、模型建立建模工作由两部分组成，实体模型部分，包括土体和地下连续墙；结构单元部分，包括混凝土支撑和钢支撑。

根据对称性原理，拟选取1/2 的实际工程尺寸进行分析。

考虑到实际的基坑长度将近500m，根据以往的经验，选取全部长度的一半虽然能够得到满意的结果，但是由于中间部分的基坑基本处于同样的受力状态，这样会使大部分的计算长度变为重复的计算，降低了计算效率。

根据初步计算结果和经验，最终确定的基坑尺寸为，宽度取基坑的最大宽度24m，开挖深度19m，基坑长度36m。

根据地勘报告，合并相似土层，模型中共划分了7个土层。

在FLAC3D 中，围护结构可以用衬砌单元(liner)或实体单元模拟。

根据Zdravdovi的研究，在二维平面基坑模拟中，分别采用实体单元和梁单元(相当于三维模型中的衬砌单元)计算所产生的墙体变形差别小于4%，而引起地表沉降的主要原因是围护结构变形造成的地层损失，可见上述两种方法计算结果的差别可忽略不计。

FLAC3D模拟实例循环开挖与支护nres ini.savset geometry=0.001ini ydis0ini xdis0ini zdis0ini yvel0ini xvel0ini zvel0m mprop bulk 4.0e9shear 2.5e9fri32coh 2.0e6& range grou diban-shayan;prop bulk 1.8e9shear 1.2e9fri25coh 1.0e6& range grou diban-niyan any grou hangdao any;prop bulk 1.2e9shear0.8e9fri22coh0.8e6& range grou diban-gentuyan;prop bulk 1.9e9shear 1.3e9fri24coh 1.0e6& range grou diban-tniyan;prop bulk0.7e9shear0.8e9fri21coh0.7e6& range grou mc any grou gzm any;prop bulk 3.0e9shear 2.5e9fri30coh 1.8e6& range grou dingban-fenshayan;prop bulk 1.5e9shear 1.2e9fri25coh 1.1e6& range grou dingban-niyan;prop bulk 3.5e9shear 2.5e9fri34coh 1.4e6& range grou dingban-shayan;添加接触面gen separate gzminterface1wrap mc gzminterface2wrap dingban-fenshayan gzm interface1prop kn20e9ks10e9tens1e9 interface2prop kn20e9ks10e9tens1e9set mech ratio=5e-4def excav_mcloop n(excav_p,excav_p_z+cut_liang);每次开挖量cut_0=excav_pcut_1=excav_p+cut_liang;开挖commandm null range grou gzm z cut_0cut_1step100end_commandn=excav_p+cut_Liangexcav_p=excav_p+cut_Liang;条件判断保存文件,这里判断条件必须和cut_liang对应上，否则不能得到想要的文件。

交通与土木工程河南科技Henan Science and Technology总第876期第5期2024年3月收稿日期：2023-06-13基金项目：云南省科技厅重点研发计划（社会发展）（2018BC008）；中国中铁科技研究开发计划课题（2020-重大专项-04）；滇中引水楚雄8标科研项目（XLKK-333-2022-2024）。

作者简介：付虎 （1995—），男，硕士，助理工程师，研究方向：隧道及地下工程。

通信作者：张庆文（1966—），男，博士，教授，研究方向：岩石力学及隧道工程。

基于FLAC 3D 原理模拟斜井支护效果研究付 虎 耿 赟 李元松 张庆文（西南林业大学，云南　昆明　650224）摘　要：【目的】斜井介于平港和竖井之间，结构受力具有一定的复杂性，因此研究斜井硐室开挖和支护的有效性和可行性尤为重要，有必要对斜井支护效果展开研究。

【方法】采用FLAC 3D 对斜井围岩变形及支护技术方案的应力场、位移场和塑性区的分布变化情况进行数值模拟分析。

【结果】在斜井开挖过程中，未支护工况下城门型斜井拱腰、拱顶、拱脚及底板等三处是开挖围岩最不稳定区域。

支护后的围岩应力场、位移场和塑性区的分布减少了较多，其中，拱顶下沉位移量从57 mm 降至5.3 mm ；拱腰处水平位移量从26.7 mm 降至15.7 mm ；底板水平位移量从11.3 mm 降至7.14 mm 。

【结论】在支护工况下的围岩应力场、位移场和塑性区的分布得到了较好改善，对斜井围岩的位移变形、塑性区范围起到了显著的控制作用。

关键词：滇中引水；初期支护；斜井开挖；FLAC 3D 模拟中图分类号：TV68 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）05-0053-06DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2024.05.011Research on the Supporting Effect of Inclined Shaft Simulation Basedon FLAC 3D PrincipleFU Hu GENG Yun LI Yuansong ZHANG Qingwei (Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)Abstract: [Purposes ] The inclined shaft is between the flat port and the shaft, and the structural stresshas certain complexity. Therefore, it is particularly important to study the effectiveness and feasibility of the excavation and support of the inclined shaft chamber, and it is necessary to study the supporting ef⁃fect of the inclined shaft. [Methods ] FLAC 3D was used to conduct numerical simulation analysis of the distribution changes of stress field, displacement field and plastic zone of the surrounding rock deforma⁃tion and support technical scheme of inclined shaft. [Findings ] In the process of excavation of inclined shafts, the arch, vault, arch foot and floor of the gate-type inclined shaft were the three most unstable ar⁃eas of excavation surrounding rock under unsupported conditions. The distribution of stress field, dis⁃placement field and plastic zone of surrounding rock after support is reduced, and the displacement of vault subsidence is reduced from 57 mm to 5.3 mm. The horizontal displacement at the arch decreases from 26.7 mm to 15.7 mm. The horizontal displacement of the floor decreases from 11.3 mm to 7.14 mm.[Conclusions ] The distribution of stress field, displacement field and plastic zone of surrounding rock under supporting conditions is well improved, which plays a significant role in controlling the displace⁃ment deformation and plastic zone range of surrounding rock of inclined shaft. Keywords: water diversion in central Yunnan; initial support; inclined shaft excavation; FLAC3D simula⁃tion0 引言滇中引水工程是云南省重要的水利项目之一，是云南省的民生福祉工程［1-2］。

本科生毕业论文（设计）题目：基于flac3D深基坑开挖模拟与支护设计指导教师: 职称:评阅人: 职称:摘要随着城市化过程中不断涌现的高层建筑和超高层建筑以及城市地下空间的开发，深基坑工程越来越多，深基坑工程项目的规模和复杂性日益增大，给深基坑工程的设计和施工带来了更大的挑战。

在这样的背景下，深基坑支护结构设计和变形量预测已成为岩土工程领域的重要研究课题之一。

本文以武汉市万达广场深基坑工程作为研究对象，利用勘查资料和深基坑支护结构设计要求，比选合理的基坑支护方案并进行相应的计算设计。

同时，本文针对深基坑工程变形量验算等难以解决的问题引用了flac3D数值模拟方法，对基坑开挖、支护结构施工进行全方位的模拟监测，将计算设计结果和模拟计算结果进行对比验算，得出比较合理的支护结构设计方案和变形量控制方案。

根据基坑实际情况和勘查资料，本文选择的围护方案为以大直径混凝土排桩、双排桩、角撑与对顶撑相结合的内支撑为主的多种联合支护方案，结合坡顶大面积卸土减载、坑内被动区加固的措施。

计算部分主要设计计算大直径混凝土排桩（钻孔灌注桩）桩长、内力和配筋，而对卸土减载、内支撑结构、坑内被动区加固和降水设计只进行了简要的说明；flac3D模拟部分主要从建立模型、设置大直径混凝土排桩、放坡开挖、放坡坡面土钉施工、预应力锚索（代替内支撑）施工和基坑主体开挖为顺序进行建模计算，最后进行变形量监测、分析，输出桩单元、锚单元的内力分布情况并给出相应的结论与建议。

本文以常规计算和数值模拟相结合的方式进行参考对比，常规计算和数值模拟分析结果非常接近，给出了有效合理的安全系数。

关键词：深基坑支护设计flac3D模拟数值模拟AbstractWith the urbanization process ,high-rise buildings and supertall buildings are continuously emerging .As a result ,underground space development project and deep excavation project become more and more. At the same time, the scale and complexity of deep excavation increasing bigger. they make the design and construction of deep excavation to face greater challenges. So structural design and deformation prediction of deep excavation has become an important research issue in the field of geotechnical engineering. In this paper, the deep excavation of Wanda Plaza, Wuhan is studied. And using survey data and structural design of deep excavation requirements to select reasonable foundation pit ,then to conduct the corresponding design. The meantime, as checking the deformation of deep excavation is a difficult problems ,it uses flac3D numerical simulation method to monitor the progress of deep pit’s excavation, construction .Then comparing the design results of the calculation and simulation results to obtained reasonable support structure design and control program of deformation.According to the actual situation and exploration data, the envelope of large diameter piles concrete piles, angle brace and top brace on the combination of a variety of internal support-based programs are selected, combined with slope Top large dump load shedding and the reinforcement measures of pit passive zone.1) The calculation part of the paper mainly introduce the design and calculation of large diameter concrete piles or bored pile, and the rest just briefly introduce the dumping load shedding, internal support structure, the pit design of passive zone strengthening and precipitation.2) With flac3D, successively study the model building, setting large diameter concrete piles, sloping excavation, soil nailing construction, pre-stressed cable (instead of internal support) construction and excavation for the foundation pit .Finally, conduct the deformation monitoring , output pile element, the internal force distribution analysis in anchorage unit .And then, provide the corresponding conclusions and recommendations.In this paper, conventional calculations and numerical simulation methods are used. And their results were very close. So it can give an effective and reasonable safety factor through the combination of these methods.Key words: deep excavation design flac3D numerical simulation目录第一章绪论 (1)第一节选题思路 (1)第二节设计流程 (1)第二章工程概况及场地工程地质条件 (3)第一节工程概况 (3)第二节场地工程地质条件 (4)第三章A-OPQRSA段基坑支护结构设计 (10)第一节设计依据 (10)第二节设计参数 (10)第三节A-OPQRSA段基坑支护方案选择 (11)第四节A-OPQRSA段基坑减载放坡设计 (13)第五节A-OPQRSA段基坑支护桩设计 (13)第六节A-OPQRSA段基坑地下水控制方案设计 (24)第四章基于flac3D基坑开挖模拟分析 (27)第一节关于flac3D的概述 (27)第二节基坑维护方案 (27)第三节计算模型及参数 (28)第四节初始应力计算 (29)第五节支护桩施工 (31)第六节模拟分层开挖和设定锚杆 (32)第七节设置采样记录变量 (34)第八节计算结果分析 (35)第五章结论与问题 (44)第一节结论 (44)第二节设计过程中存在问题 (45)致谢 (47)参考文献 (48)附录 (49)第一章绪论第一节选题思路深基坑工程设计是当今岩土工程界关注的热点话题，深基坑工程的难题在于对变形量的预测，基坑允许的变形、垂直位移的计算是比建筑物自身允许的沉降和沉降计算更为复杂的课题，但又是基坑工程尤其是在软土地区和工程地质、水文地质复杂地区无法回避的问题。

第43卷第6期　2009年6月上海交通大学学报J OU RNAL OF SHAN GHA I J IAO TON G UNIV ERSIT YVol.43No.6　J un.2009　收稿日期:2008207213基金项目:国家自然科学基金资助项目(50679041);上海市科学技术委员会资助项目(08201200903);江西省教育厅科学技术研究资助项目(G JJ 09367)作者简介:丁勇春(19792),男,江苏大丰市人,博士生,从事基坑与地下工程数值仿真方面的研究.王建华(联系人),男,教授,博士生导师,电话(Tel.):021*********,E 2mail :wjh417@. 文章编号:100622467(2009)0620976205基于FL AC3D 的基坑开挖与支护三维数值分析丁勇春1,　王建华1,　徐　斌1,2(1.上海交通大学土木工程系,上海200030;2.南昌工程学院土木工程系,南昌330029)摘　要:采用三维快速拉格朗日方法(FL AC3D )建立了考虑基坑分步开挖与支护全过程的三维动态计算模型,土体采用修正剑桥模型模拟,考虑了支护结构与土体的接触滑移作用,分析了基坑施工中围护墙变形、地表沉降、坑底隆起、坑外深层土体变形的基本特性.计算得到的地表沉降曲线与已有文献的经验沉降曲线基本一致,验证了计算结果的适用性.分析结果可为类似基坑工程的设计和施工提供有益参考.关键词:基坑开挖;数值分析;三维快速拉格朗日方法;修正剑桥模型;土与结构相互作用中图分类号:TU 473.2 文献标识码:AThree 2Dimensional Numerical Analysis of Braced ExcavationBased on F LAC 3DD I N G Yong 2chun 1,　W A N G J i an 2hua 1,　X U B i n1,2(1.Depart ment of Civil Engineering ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030,China ;2.Depart ment of Civil Engineering ,Nanchang Instit ute of Technology ,Nanchang 330029,China )Abstract :Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions (FL AC3D )was employed to investigate t he deformatio n characteristics of a staged excavated and supported foundation pit.Modified Cam 2clay model was adopted to model t he soil behavior and t he interaction between soils and retaining st ruct ures was also taken into account in t he numerical model.The deflection of retaining walls ,t he settlement of gro und surface ,t he heave of excavation bottom ,and t he movement of t he deep st rata out side t he excavation were analyzed.The ground surface settlement curves of t he numerical model are basically consistent wit h t he empirical ones f rom t he existing literat ures ,so it s feasibility is proved.The numerical result s p rovide a usef ul reference for t he design and const ruction of similar deep excavation project s.Key words :braced excavation ;numerical analysis ;fast Lagrangian analysis of continua in 3dimensio ns (FL AC3D );modified Cam 2clay model ;soil 2st ruct ure interaction 基坑工程除了要保证基坑的整体性和支护结构的稳定安全外,还必须确定支护结构变形和基坑内外地层的变形,这样才能合理评估基坑施工对周围环境可能造成的不利影响,采取相应的工程措施,确保基坑施工的顺利进行,从而实现基于变形控制的基坑设计[1].目前基坑工程中常用的分析方法可以分为两类:行业和地方基坑设计规程所广为采用的竖向弹性地基梁法[2,3];基于连续介质力学的数值分析方法,如有限元法、有限差分法等.竖向弹性地基梁法只能对围护结构的内力和变形进行分析,不能计算支撑体系的内力和变形,更无法分析坑外地表沉降和坑底隆起变形,因此无法对基坑开挖引的环境影响进行分析和评价.数值分析方法可以弥补常规弹性地基梁法的不足.本文采用三维快速拉格朗日方法(FL AC3D )建立考虑支护结构与土体相互作用的基坑三维计算模型,土体采用修正剑桥模型,并考虑支护结构(围护墙和立柱桩)与土体间的接触问题,实现基坑分步开挖及支护的三维全过程动态分析.1　数值计算原理1.1　修正剑桥模型目前在岩土工程数值计算中常用的土体本构模型有两大类:一类是以Duncan 2Chang 模型为代表的非线性弹性模型;另一类是弹塑性模型,如Mohr 2Coulomb 模型、Drucker 2Prager 模型及修正剑桥模型等.Mohr 2Coulomb 模型和Drucker 2Prager 模型由于对加载和卸载采用同一模量,在得到合理围护结构侧向变形的同时,往往导致不合理的坑底隆起变形.修正剑桥模型能够反映土体加载与卸载模量的差异,考虑土体材料静水压力屈服特性和压硬性,在软土地基开挖分析中应用非常广泛.修正剑桥模型的屈服函数可表示为q 2p ′2+M 21-p ′0p ′=0(1)式中:q 为偏应力;p ′为平均有效应力;p ′0为先期固结压力;M 为p ′-q 平面内临界状态线(CSL )的坡度.修正剑桥模型屈服轨迹如图1所示.(a )p ′-q 平面内(b )主应力空间内图1　修正剑桥模型屈服轨迹Fig.1　Y ield locus of modified Cam 2clay model 修正剑桥模型的初始状态参数确定方法如下:(1)确定土体单元的竖向有效应力σ′v ;(2)根据现场静止侧压力系数K 0,确定土体单元侧向有效应力σ′h ,σ′h =K 0σ′v (2) (3)对每个土体单元,计算平均有效应力p ′和偏应力q :p ′=13(σ′1+σ′2+σ′3)q =12(σ′1-σ′2)2+(σ′2-σ′3)2+(σ′3-σ′1)2(3) (4)根据式(1)和超固结比OCR 计算先期固结压力p ′0,p ′0=p ′1+qM p ′2OCR (4) (5)确定正常固结线上p ′=1kPa 作用下单元的初始比体积υe ,0=υCSL +(λ-κ)ln 2(5)式中:λ为υ-ln p 平面内压缩线坡度;κ为υ-ln p 平面内回弹线坡度;υCSL 为临界状态线在p ′=1kPa 下的比体积.如根据土工试验能确定土样的不排水抗剪强度c u 和比体积υ0,则可根据下式确定参数υCSL[4],c u =M 2expυCSL -υ0λ(6) 如果已知土体颗粒比重G s 、土体液限w L 和土体塑性指数I p ,也可按下列经验公式确定参数[4]:υCSL =1+G s (w L +0.3I p )(7)1.2　土体与支护结构的接触采用数值方法进行基坑开挖与支护分析时涉及到是否需要考虑支护结构与土体间的相互接触问题.文献[5]中的研究结果表明,不考虑接触作用将导致计算结果与实际情况不符.主要原因可归结为:①无法反映支护结构与土体间由于接触面或土体的破坏引起的相互滑移;②结构与土体间存在拉应力,不能模拟结构与土体的脱离效应.FLAC3D 中的接触面单元具有单面特性,不同于G oodman 接触面单元.在每一计算时间步Δt 内,接触面节点与目标面之间的绝对法向侵入位移u n及相对剪切位移增量Δu s 均被计算,将其代入接触面本构方程就可以确定下一时刻(t +Δt )接触面上的法向力F (t +Δt )n和切向力F (t +Δt )s,F (t+Δt )n =k n u n A +σn A F (t+Δt )s=F (t )s+k s Δu (t+Δt/2)sA +τs A(8)式中:k n 为法向刚度;k s 为切向刚度;τs 为附加剪应力;A 为接触面节点的代表面积.接触单元服从库仑779　第6期丁勇春,等:基于FL AC3D 的基坑开挖与支护三维数值分析 剪切破坏准则和拉伸破坏准则.1.3　支护结构模型FLAC3D 提供了6种支护结构单元:梁单元、索单元、桩单元、壳单元、土工格栅单元和衬砌单元.对基坑而言,板桩式围护结构可采用衬砌单元模拟,桩列式和重力式挡土结构可采用实体模拟,水平内支撑如结构层楼板和混凝土或钢支撑可分别采用壳单元和梁单元模拟,坑外土钉和锚杆可采用索单元模拟,坑内立柱与立柱桩可采用桩单元模拟.2　计算模型及参数确定2.1　计算模型及边界条件分析模型取一方形基坑为研究对象,基坑平面尺寸为56m ×56m ,考虑模型的对称性后取1/4模型进行计算.基坑最大开挖深度H max =20m ,分5步开挖,每步开挖4m.1/4计算模型的三维尺寸为128m ×128m ×100m ,如图2所示.土体采用8节点6面体模拟,土体区段总数为13520,网格点总数为15309.模型外边界采用侧向约束,中心对称面采用对称边界,模型底部全约束.(a )整体模型(b )支护结构图2　计算模型Fig.2　Numerical model 计算中不考虑土体的分层以及基坑降水的影响,采用总应力法计算,相应的土体计算参数采用总应力指标.土体本构模型采用修正剑桥模型,不考虑地下水作用.土体重度γ=17.15kN/m 3,孔隙比e =1.2,侧压力系数K 0=0.5,κ=0.01,λ=0.14,M =1.2,泊松比μ=0.35.模型参数相当于上海软土地区第3层土体[6]的参数,按正常固结考虑(OCR =1).2.2　支护结构及接触面参数水平梁板支撑按刚度等效原则简化为壳单元,围护墙采用衬砌单元模拟,立柱和立柱桩采用桩单元模拟.结构单元总数为5175,结构单元节点数为2658.支护结构强度按C30混凝土考虑,考虑80%强度折减[7]后混凝土的弹性模量E c =24GPa ,μc =0.2,ρc =2500kg/m 3.坑边x =28m 和y =28m 处为两道连续墙,连续墙深度40m.坑内共设9根桩,桩直径0.8m ,间距8m ,桩长60m.共设5道水平支撑,支撑板厚0.12m.不同结构单元间采用共用节点法实现内力的传递.接触计算为物理非线性问题,有限元法在计算中往往存在收敛困难问题.FL AC3D 由于基于显式的全过程动力计算,因此,对不稳定问题不存在计算上的障碍.FLAC3D 中的衬砌单元与土体间的切向相互作用也具有单面特性,因而不能同时考虑围护墙与内外两侧土体的相互接触算法.在计算模型中采用以下近似处理办法:衬砌单元建立在墙外土体区域的外表面上以模拟围护墙与墙外土体的相互接触作用,围护墙与坑内土体的相互接触采用在坑内外土体间建立接触面单元,墙底处衬砌单元节点与坑内外土体网格点自由度耦合,假定墙底处结构单元节点与网格点变形协调.桩单元可直接实现桩与土界面的接触算法,通过加入桩端屈服弹簧可考虑桩的端承效应.参考文献[5],接触界面摩擦系数取为0.25,最大剪应力取为20k Pa.3　计算结果分析3.1　围护墙变形不同开挖深度(H )和不同平面位置(y )围护墙的侧向变形(δh )如图3所示.开挖至坑底后围护墙整体上抬约15.0mm ,墙体最大侧移-45.3mm,基坑开挖期间围护墙变形主要为侧向变形.(a )不同开挖深度 (b )不同平面位置图3　围护墙变形Fig.3　Deflection of retaining walls 由于第1道支撑的设置先于第1次4m 深土体的开挖,故第1次挖土时围护墙顶受到第1道水平支撑强大刚度的约束,墙顶位移几乎为零.后续阶段,墙体最大侧移随着开挖深度的增加而增大,同时最大侧移点位置亦随着开挖深度的增加而逐渐下879上　海　交　通　大　学　学　报第43卷　移,开挖至坑底后,墙身最大侧移点位于坑底开挖面附近.围护墙的最大侧移随着基坑开挖深度的增加呈非线性增长,但增长的幅度却有下降的趋势.围护墙的侧向变形具有明显的三维空间效应,基坑中心处(y =0)对称面墙体侧移最大,而基坑拐角位置(y =28m )墙体侧移最小,且为向坑内整体刚性平移.3.2　地表沉降不同开挖深度(H )和不同平面位置(y )坑外地表沉降(δv )如图4所示.图中,d 为计算点至坑边的距离.可见,地表未出现隆起,这是由于考虑了围护墙与土体间的接触特性,墙体与土体之间出现了滑移,墙体的上抬未引起地表的隆起.第1次挖土(H =4m )最大地表沉降点距坑边较近;随着挖土深度的不断增加,最大沉降点位置逐渐远离基坑,基坑开挖深度达12m 后,最大地表沉降点位置几乎不再变化.图4　地表沉降Fig.4　Ground surface settlement 地表沉降也具有空间效应,靠近基坑侧边中点(y =0)的地表沉降较大,最大地表沉降值为-36.3mm ;而靠近基坑拐角(y =28m )的地表沉降较小,最小地表沉降值仅为-16.4mm.地表沉降与围护墙的变形是相关联的,两者在空间上的变化规律保持一致. 图4(c )所示为中心对称面上不同开挖阶段相对地表沉降(δv /δv ,max )和相对距离(d/H )关系曲线与文献[8,9]中提出的经验沉降包络曲线的对比.可见,数值模拟结果与文献[9]中的更为吻合;d/H >2时本文与文献[8]中的相差较大.原因如下:文献[8]中假定地表沉降影响范围仅为2倍基坑开挖深度,而根据本文数值模拟结果和上海软土地区相关基坑的现场实测[10],上海软土地区地表沉降的影响范围一般为3～4倍基坑开挖深度.因此文献[8]中关于地表沉降影响范围的假定对上海软土地区的基坑而言显然偏小.由于计算模型的外截断边界采用侧向约束,边界面竖向可自由变形,引起了d/H >1.5范围计算所得相对地表沉降稍大于文献[9]中的包络曲线,这部分差异是由于计算模型的边界条件简化引起的.3.3　坑底隆起图5所示为不同开挖深度中心对称面(y =0)上坑底土体的隆起变形(δvb ).坑底土体的隆起主要由竖向开挖卸载效应引起,另外,墙体向基坑内的侧向变形也会进一步挤推坑内土体,造成坑底土体的回弹[11].坑底土体的隆起值随着开挖深度的增加呈非线性增长,但回弹增量有减小的趋势.图5　坑底隆起Fig.5　Heave of excavation bottom 开挖至坑底后坑底土体的竖向整体隆起量约160mm ,而围护墙的整体回弹仅15mm 左右,表明坑底土体与围护墙间发生了较大的相对滑移.如不考虑接触滑移作用,坑底回弹将引起过大的围护墙上抬,这显然不合理.另外,地表与围护墙相交处由于也考虑了接触作用,墙体的上抬才未引起相应位置地表的隆起,从而得到了与经验曲线基本吻合的地表沉降曲线.因此,在数值计算模型中有必要考虑支护结构与土体间的相互接触作用.3.4　坑外深层土体变形图6所示为开挖至坑底(H =20m )后中心对称面(y =0)上坑外深层土体竖向和侧向的位移场分布.可见,坑外浅层土体产生沉降,但最大沉降点位于距坑边一定距离处;坑外深层土体产生隆起,最大979　第6期丁勇春,等:基于FL AC3D 的基坑开挖与支护三维数值分析 隆起点位置位于土体与围护墙的接触处.邻近基坑围护墙处土体的侧向变形与墙体的变形相似,均为深层凸出型,最大侧向变形点深度位于基坑最终开挖面附近;随着至坑边距离的增加,土体最大侧向变形点位置逐步向地表面过渡,当距离超过一定范围,土体的最大侧移点位于地表面.(a )竖向变形(b )侧向变形图6　坑外深层土体变形Fig.6　Movement of strata outside excavation 对比图6中坑外土体的竖向变形与侧向变形可见,当基坑首层支撑刚度较大且先于浅层土体开挖而架设时,坑外浅层土体的变形以沉降为主,侧向变形较小.因此,对基坑周围建(构)筑物上部结构、浅埋地下市政管线及城市道路等而言,地表沉降和差异沉降是引起其损坏的主要原因;对基坑最终开挖面深度的坑外土体而言,侧向变形占主导,竖向变形较小,且存在隆起与下沉两种不同的形态.因此对深埋地下结构如高层建筑桩基础、城市高架桥梁桩基础、地铁区间隧道等而言,坑外深层土体的侧向变形是引起其损坏的主要原因.4　结　论(1)计算得到的坑外地表沉降曲线与已有文献的经验沉降包络曲线基本一致,验证了FL AC3D 在基坑开挖分析中的适用性和有效性.(2)基坑围护结构变形、地表沉降、坑底土体位移、坑外深层土体位移是相互关联的有机整体,基坑变形表现出明显的空间特性.(3)只要合理确定土体模型参数及土体与支护结构间的接触关系,三维数值分析在基坑工程设计施工方案优化和环境影响评估的应用中具有明显优越性.本文计算模型进行了一定简化,未考虑土体的分层,也未考虑降水引起的渗流和固结对基坑变形的影响,有待今后进一步研究.参考文献:[1]　刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M ].北京:中国建筑工业出版社,1997.[2]　J G J 120299,建筑基坑支护技术规程[S].[3]　DBJ 08261297,基坑工程设计规程[S].[4]　Wood D M.Soil behaviour and critical state soil me 2chanics [M ].Cambridge :Cambridge UniversityPress ,1990.[5]　范　巍,王建华,陈锦剑.连续墙与土体接触特性对深基坑变形分析的影响[J ].上海交通大学学报,2006,40(12):211822121.FAN Wei ,WAN G Jian 2hua ,CH EN Jin 2jian.The evaluation of deformation induced by excavation con 2sidering the properties of diaphragm 2soil interface [J ].Journal of Shangh ai Jiaotong U niversity ,2006,40(12):211822121.[6]　D G J 0823722002,岩土工程勘察规范[S].[7]　谢百钩.粘土层开挖引致地盘移动之预测[D ].中国台湾:国立台湾科技大学,1999.[8]　Clough G W ,O ′Rourke T D.Construction inducedmovements of in situ walls [C]//Proceedings ,ASCE Conference on Design and Perform ance of E arth R etai 2ning Structures .New Y ork :ASCE ,1990:4392470.[9]　Hsieh P G ,Ou C Y.Shape of ground surface settle 2ment profiles caused by excavation [J ].C anadian G eotechnical Journal ,1998,35(6):100421017.[10]　丁勇春,王建华,徐中华,等.上海软土地区某深基坑施工监测分析[J ].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2007,39(3):3332338.DIN G Y ong 2chun ,WAN G Jian 2hua ,XU Zhong 2hua ,et al .Monitoring analysis of a deep excavation inShanghai soft soil deposits [J ].Journal of Xi ’an U ni 2versity of Architecture &T echnology (N atural Science Edition),2007,39(3):3332338.[11]　刘国彬,黄院雄,侯学渊.基坑回弹的实用计算法[J ].土木工程学报,2000,33(4):61267.L IU Guo 2bin ,HUAN G Yuan 2xiong ,HOU Xue 2yuan.A practical method for calculating a heave of excavated foundation [J ].China Civil E ngineering Journal ,2000,33(4):61267.89上　海　交　通　大　学　学　报第43卷　。