FLAC3d基坑模拟复习进程

计算说明

1、计算方法

1）内力计算采用弹性支点法；

2）土的水平抗力系数按M法确定；

3）主动土压力与被动土压力采用矩形分布模式；

4)采用力法分析环形内支撑内力；

5）采用"理正深基坑支护结构软件FSPW 5.2"计算，计算采用单元计算与协同计算相结合，并采用FLAC-3D进行验证；

6）土层参数选取

2、单元计算

1）基坑分为4个区，安全等级为一级，基坑重要性系数为1.1；

2）荷载：

施工荷载：10kPa；

地面超载：4区活动荷载为25kPa，1区、2区和3区超载按10kPa考虑；

水压力；基坑外侧为常水位，内侧坑底以下

0.5m。

3）基坑开挖深度：根据现场地形确定，按开挖12.50m确定；

4）支撑水平刚度系数：

2

a

T

s

EA

K

L s

α

=

式中α取0.8，E取28000MPa，L取7.0m，sa取1.20m，s取7.0m，经计算，kT 大于800 MN/m，本计算中，取800MN/m。

5）计算过程详见附件1，其中1区选用钻孔ZK1，2区选用钻孔ZK4，3区选用钻孔ZK16，4区选用钻孔ZK5。各区计算结果汇总如下：

表2 计算结果汇总表

3、协同计算

1）计算方法简介

协同计算采用考虑支护结构、内支撑结构及土空间整体协同作用有限元的计算方法。

有限元方程如下：

（[K n]+[Kz]+[Kt]）{W)}={F}

式中：

[K n]－内支撑结构的刚度矩阵；

[K z]－支护结构的刚度矩阵；

[Kt]－开挖面以下桩侧土抗力的刚度矩阵；

{W}－位移矩阵；

{F}－荷载矩阵。

计算时采用如下简化计算方法：

（1）将基坑周边分成几个计算区域，同一计算区域的支护信息相同，地质条

件相同。

（2）将每一个桩或每单位长度的墙看成是一个超级的子结构，这一子结构包

括桩墙，土，主动和被动土压力。

（3）将第三道锚索等效为弹性支承点，作为支承系统的一部份进行计算。

（4）单独求解（2)中的子结构，可采用单桩内力计算的一套方法，将刚度和

荷载凝聚到与支锚的公共节点上，这是一个一维梁计算问题。

（5）单独求解内支撑系统，将（4）中所得子结构刚度，荷载迭加到内支撑

系统，求解后即为最终结果，这是一个二维梁计算问题。

2）基坑模型建立：为能较好地模拟基坑开挖实际情况，在基坑建模时，严格按照基坑实际尺寸进行构建，其构件编号详见附件2图1~3。

3）由于协同计算时，软件无法考虑土体的被动土压力，因此如果按整个场地不同区段不同地层的参数进行计算，其结果会产生较大误差。为消除这种误差，本协同计算时选用钻孔ZK5作为计算依据，将整个场地的土层视为等厚土层，计算时基坑开挖深度14.80m，地面荷载按25kPa考虑。

4）按以上的简化计算原则，本协同计算结果汇于下表，其计算过程详见附件2协同计算书。

表3 协同计算结果汇总表

4、环梁内力力法分析

1)模型的简化

根据工程实际条件，环梁四周存在多个集中力的作用。若依据集中力来求解环梁所受弯矩在理论上是成立的，但其工作量过于庞大。加之，无现成的程序可以利用，以人工运算的方式难于完成。既使通过人工运算得一结果，也难以保证结果的正确性。因此，设计者将多个集中力的作用转换为一均布水压力作用。这是计算过程中的第一步简化，即从图1所示力学模型转化为图2所示的力学模型。二是将封闭圆环受集中力作用的力学模型转化为非封闭圆环受集中力作用的力学模型，并在圆环开口处施加固定端约束，即从图2所示的力学模型转化为图3所示的力学模型（无铰拱）。图3所示的结构力学模型，其实是3次超静定结构。求解该3次超静定结构的内力须采用力法，于是将图3所示的结构力学模型的基本体系如图4所示。所以环梁内力的结构力学计算转变为一个三绞拱在均匀水压力作用下的3次超静定结构计算问题。

图1 斜撑轴力分布示意图 图2 环梁受均匀水压力作用模型

图3 无铰拱受均匀水压力模型 图4 基本体系 2)三绞拱的压力线

如果三铰拱中某截面D 左边（或右边）所有外力的合力RD F 已经确定（图5），则由此合力便可以确定该截面的弯矩、剪力、轴力（图6）如下：

sin cos D RD D QD RD D ND

RD D M F r F F F F αα⎫

=⎪

=⎬⎪

=⎭

（1）

这里，D r 是由截面形心到合力RD F 的垂直距离，D α是合力RD F 与D 点拱轴切线间夹角。由此看出，确定截面内力的问题可以归纳为确定截面一边所有外力的合力的问题，包括确定合力的大小、方向及作用线。对于三铰拱中的任意一截面均存在一外力合力的作用，将这些作用点连接起来即为作用线。对于拱来说，由于截面轴力一般都是均为

压力，故该作用线又称为压力线。

图5 压力线示意图（一） 图6 压力线示意图（二） 3)三铰拱的合理轴线

当拱的压力线与拱的轴线重合时，各截面形心到合力作用线的距离为零，则各截面弯矩为零，只受轴力作用，正应力沿截面均匀分布，拱处于无弯矩状态。这时材料的使用最经济。在固定荷载作用下使拱处于无弯矩状态的轴线称为合理拱轴线。理论分析表明，三铰拱在承受均匀水压力时，其合理轴线是圆弧曲线。如图7所示的曲杆内力的微分关系式为：

图7 微分弧段受力分析

q q

q

q

q

q

1X 1

X 2

X 3

X D αD

D r RD

F D

D

M ND

F QD

F d ϕ

2

d ϕQ

F M

N

F r

r

q s q s

R

M dM

+Q Q

F dF +N N

F dF +