FLAC_3D_在深基坑降水计算中的应用

文章编号:100926825(2006)2420089202
FLAC 3D 在深基坑降水计算中的应用
收稿日期:2006206217
作者简介:曲军彪(19822),男,北京交通大学土木建筑工程学院岩土工程专业硕士研究生,北京　100044
李　涛(19602),男,博士,副教授,北京交通大学土木建筑工程学院,北京　100044
曲军彪　李　涛
摘　要:简要介绍了FLAC 3D 软件分析流固耦合问题的原理及其使用方法,并以武汉地区某深基坑降水工程为例,对其降水
过程进行了三维流固耦合计算,得出在深基坑降水及其引起的地面沉降计算中,运用FLAC 3D 软件具有重要的现实意义。

关键词:FLAC 3D ,深基坑降水,流固耦合,沉降量中图分类号:TU463文献标识码:A
随着深基坑工程的日益增多,在水文地质条件复杂的地区进
行深基坑降水开挖,地下水的处理显得尤为重要。

现有降水设计规范多基于解析解方法,一些较为通用的设计软件也同样如此。

近年来,研究人员努力发展数值模拟方法分析基坑降水过程,已经取得了一些成果,但对深基坑降水进行三维流固耦合分析仍是一个长期未能解决的问题。

应用FLAC 3D 软件对基坑降水进行三维流固耦合计算,为基坑降水预测地面沉降量提供了新的途径。

1　FLAC 3D 分析流固耦合问题简介1.1　模型特点
1)不同区域可以具有不同的流体流动特性。

2)可以指定流
体压力、流量和不可渗透边界条件,从而可以较好地模拟地下水的流动。

3)流源既可以作为点源也可以作为体积源嵌入到材料中,这些源头同所指定的流体流入或流出相对应且随时间变化,从而可以模拟降水井点。

4)提供了显式和隐式两种流体流动计算方法。

5)材料的力学本构模型可以同流体模型一起使用。

6)提供了丰富的结构单元,可以方便的模拟基坑的围护结构和支撑等。

1.2　基本理论
1)流体传导定律:
q i =-k a
ij
99x j
(
P -ρw g k x k )。

其中,q i 为比流量矢量;k a
ij 为表观流动性系数,它是饱和度s 的函数;P 为流体压力;ρw 为流体密度;g k 为重力加速度。

2)流体平衡定律:
9ζ9t =-9q i 9x i
+q v 。

其中,ζ为流体容量的变化,单位体积的孔隙材料中流体体
积的变化;q v 为体积流源强度。

3)本构定律:
9P 9t =M (9ζ9t -α9ε9t
)。

其中,M 为比奥模量(M =K w /n ,其中,K w 为流体体积模量;n 为孔隙率);α为有效应力的比奥系数;ε为体积应变。

d
d t (σij
+αP δij )=H (σij , εij )。

4)相容方程:
ε=129 u i 9x j +9 u j 9x j。

1.3　求解步骤
1)建立模型,划分网格。

模型大小根据降水的影响范围确定。

网格划分在降水井点附近较密,向外逐渐扩大。

2)赋予材料
特性及参数。

根据土体的性质选用本构模型,材料参数根据所选本构模型而定。

流体的参数主要是渗透系数、孔隙率和流体体积模量。

3)设定初始条件。

力学模型的初始应力由自重应力生成;流体模型的初始条件主要是生成孔压的分布,不同土层可以施加不同的孔压。

4)设定边界条件。

力学模型的边界条件施以位移约束。

流体模型的水流边界条件分内边界和外边界,内边界为流速边界(即降水井点),外边界为定水头边界和隔水边界。

5)耦合求解。

渗流场、应力场、变形场三场耦合作用求解。

6)结果输出。

2　应用实例2.1　工程概况
文中模拟的深基坑长23m 、宽35m 、深21m ,其中三面采用地下连续墙作为基坑开挖时的围护结构。

场地地下水主要有上层滞水、潜水、承压水三种类型。

承压水主要赋存于粉细砂、中粗砂层中,水量大,与长江有密切的水力联系,长江涨水期承压水头高达17m ,是模拟计算中主要考察的对象。

2.2　模型建立
根据当地非完整井抽水试验结果,基坑降水影响半径大概范围为118m ～168m ,连续墙作为隔水帷幕可以减小降水影响半径。

另一方面,基坑周围重点监测建筑物在基坑周边90m 范围内。

根据勘察报告,在地表约44m 以下土层为泥岩及砂岩,为隔水底板。

综合以上分析,本模型模拟区计算面积取为118m ×118m ,计算深度为44m 。

计算模型的渗流初始条件为定水头,潜水位在地表以下3m 处,承压水层顶板在地表以下20m 处,承压水头取为17m 。

渗流的边界条件为:内边界为已知流量边界(降水井),外边界为定水头边界;底边界为隔水边界。

应力的初始条件为自重应力。

位移边界条件为:外边界水平方向固定,竖直方向自由;底边边界水平方向自由,竖直方向固定。

2.3　网格划分
首先在平面上将模拟区进行剖分,在基坑开挖区考虑到降水井的布置及连续墙的位置,网格划分较密,向外逐渐变疏,剖分为100×100个单元。

垂向上根据土层的性质、连续墙的深度、井点工作段的位置分为20层。

井点作为定流量边界处理。

2.4　计算过程
计算采用FLAC 3D 软件,土体的应力应变关系采用弹塑性本构模型,服从莫尔库仑准则。

连续墙和基底抽条加固用实体单元模拟,采用线弹性本构模型。

第一道支撑用梁单元模拟。

通过计算,可以得到计算区域内每个单元在每个时间步长的水头和沉降量的大小及分布状态。

本次计算参数包括武昌始发井地层参数
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第32卷第24期2006年　12月 山西建
筑SHANXI ARCHITECTURE
Vol.32No.24Dec.　2006
表(见表1)和各井设计流量及坐标位置表(见表2)。

表1　地层参数表
土名层厚m 重度kN ・m -3
内摩擦角
(°)
粘聚力
kPa 渗透系数cm ・s -1素填土
319.4810 3.23E 203粘土218.91321 1.90E 207粉质粘土219.11018 2.55E 206粉土119.41212 4.85E 204粉质粘土518.8814 1.20E 205淤泥质粉质粘土
518610 6.50E 207粉土219.521.511.5 1.25E 204粉细砂319.6320
2.21E 202粉细砂1619.8360 2.21E 2
02中粗砂320.5380 2.21E 202卵石
2
21
40
2.21E 202
表2　各井设计流量及坐标位置
井编号流量
m 3・d -1x /m y /m 井编号流量
m 3・d -1x /m y /m
11920-129912003-721920-89101200-3-731200-39111920-7-84120039121920-12-8519209913192013-2619201391419201337192013-8151920-1238
1920
6
-8
16
1920
-12
-2
2.5　计算结果分析
图1给出了降水稳定后22m 深度处的水头分布情况。

从图
中可以明显看出:1)在基坑内部水头最低已降到1m ,而由于连续墙的挡水作用,坑外水头仍高为16m ,降水效果很明显。

2)由于基坑的连续墙为三面围护一面开口,图中所示水头为4m 的一侧即为连续墙开口的一面。

图2给出了降水稳定后34m 深处的水头分布情况。

图中水
头等值线密集处即为降水井的位置。

图3给出了降水引起的地表沉降等值线图。

从图中可以看
出,地表沉降量由内向外逐渐衰减,这与水头的分布是一致的。

累积沉降量等值线图在一定程度上反映了开挖面的形状。

3　结语
1)利用FLAC 3D 软件对深基坑降水进行了三维流固耦合分
析,探索了深基坑降水过程中求解水头和地面沉降的新途径。

2)文中应用的三维数值模拟方法,能够很好地模拟降水井点、基坑防渗帷幕、支撑结构、非匀质土层和高承压水等一些解析法难以处理的实际工程条件。

因此,FLAC 3D 在基坑降水及其引起的地面沉降计算中具有重要的应用价值。

3)通过对某基坑降水沉降计算表明:在高承压水地层条件下进行基坑降水,其导致的地面沉降不容小视。

4)文中土层沉降计算采用的是弹塑性模型。

事实上土的变形还涉及到流变等其他复杂的性质。

在今后的研究中,可以采用其他更复杂的本构关系,以便能更好地反映实际情况。

参考文献:
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究[J ].土木工程学报,2002,35(5):93299.
The FLAC 3D in de w atering calculation of deep foundation pits
QU Jun 2biao L I T ao
Abstract :The principle and operation method of FLAC 3D software in analysis of fluid 2structure interaction problem are briefly introduced.Taking dewatering works of one deep foundation pit in Wuhan as example three 2dimensional fluid 2structure interaction calculation is made to analyze dewatering process.Practice shows FLAC 3D has practical significance in calculating dewatering of deep foundation pit as well as ground subsidence it ’s caused.
K ey w ords :FLAC 3D ,dewatering of deep foundation pit ,fluid 2structure interaction ,settlements
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09・第32卷第24期2006年　12月
山西建筑 。