基坑工程直立开挖支护的FLAC3D数值模拟
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Y X Z
1． 3
土体本构模型
土钉排号 土钉长度 1 15
图1
表1
2 15
FLAC3D 模型
土钉长度情况
3 15 4 12 5 12 6 9
Coulomb 模型在岩土工程仿真模 因 FLAC3D 程序中的 Mohr［6 ］ Coulomb 弹塑 拟研究中得到极其广泛的应用 。 本文选用 Mohr性模型作为土体本构模型 。
2． 1
基坑未支护开挖模拟
基坑开挖未支护条件下， 获得的结果如图 2 所示。
Z Y X
图5
0.000
搅拌桩复合土钉支护开挖坡体变形矢量图
墙体位移/m 0.010 0.020 0.030
Z Y X
墙体深度/m
［2 ， 3 ］
条件比较严苛，
或对位移要求比较高的时候， 就要采用位移控制满足要求的直立 ［2-4 ］ 。 开挖支护方式 本文将模拟均质土基坑直立开挖支护结构来进行模拟分析， 获得在以变形控制为主的支护设计方案进行比选时提供一些参 考建议。
泊松比 ν = 0． 3 ， 弹性模量取 E50 = 16 MPa。 搅拌桩： 粘 聚 力 c = 400 kPa， 内 摩 擦 角 = 35° ， 重度 G = 21 kN / m3 ， 泊松比 ν = 0． 25 ， 弹性模量 E50 = 600 MPa。
第 38 卷 第 35 期 2012 年12 月 文章编号： 1009-6825 （ 2012 ） 35-0095-03
山
西
建
筑
SHANXI
ARCHITECTURE
Vol． 38 No． 35 Dec． 2012
· 95·
基 坑 工 程 直 立 开 挖 支 护 的 FLAC3D 数 值 模 拟 分 析
许世雄
（ 中国建筑科学研究院地基基础研究所， 北京 100013 ）
摘
要： 采用 FLAC3D 有限差分软件对 10 m 深均质土基坑进行直立开挖， 在未支护、 土钉支护和搅拌桩复合土钉支护 3 种工况
对位移及土钉内力Fra Baidu bibliotek行对比分析， 得出在均质土直立开挖基坑时可优先考虑搅拌桩复合土钉支护形式， 以获得合理支护效果。 下， FLAC3D 模拟， 关键词： 基坑支护， 直立开挖， 对比分析 中图分类号： TU463 文献标识码： A 式
［1 ］ ［7 ， 8 ］
0
引言
基坑放坡开挖的形式是最早的一种基坑开挖方式 ， 该方法
。
1． 6
建模过程
1 ） 参数情况。 3 土体： 粘聚力 c = 18 kPa， 内摩擦角 = 22° ， 重度 G = 18 kN / m ，
要求周边存在比较空旷的施工场地， 并且该方法土方量一般会非 常大， 同时要选择合理的开挖坡度， 以保证开挖坡体的稳定性 。 而当拟建建筑处于建筑物较密集， 或周边环境
1． 2
分析目的
本文基于均质土基坑开挖分别建立开挖不支护坡体 、 纯土钉 支护坡体、 搅拌桩复合土钉支护坡体 3 种工况下的开挖模型进行 运算分析。首先， 对无支护条件下的均质土基坑的开挖过程进行 模拟， 分析其破坏状态； 再次， 在模型中设置土钉结构进行支护并 开挖， 对纯土钉结构支护后的基坑边坡的变形进行了模拟分析； 最后， 对水泥土搅拌桩复合土钉支护结构体系对基坑开挖的支护 对基坑位移变形特性进行分析， 总结出一些具 效果进行了模拟， 。 有参考价值的结论
· 96·
第 38 卷 第 35 期 2012 年12 月
山
西
建
筑
标系统如图 1 所示。
2
数值模拟结果分析
本文将对开挖未支护的基坑坡体 、 纯土钉支护的基坑坡体及
墙的联合结构进行基坑支护， 较单独使用时能够在控制坡体位移 等方面将获得明显效果 。
搅拌桩复合土钉支护的基坑坡体过程进行仿真模拟， 之后将获得 。 的结果进行分析
m
7 6
1． 4
结构单元
在数值模拟的过程中， 土钉结构采用锚索单元
［6 ， 7 ］
具体模拟过程如下： a． 未支护、 纯土钉支护基坑开挖模拟过程为： 建立模型， 运行 。 因水泥 至初始平衡状态； 开挖 1． 6 m， 运行至平衡、 保存结果； 开挖 1． 4 m， 运行至平衡、 保存结果； 重复上一步至程序运算收敛； b． 搅拌桩复合土钉支护基坑开挖模拟： 建立模型， 运行至初 始平衡状态； 设置搅拌桩； 开挖 1． 6 m、 设置土钉、 运行至平衡、 保 设置土钉、 运行至平衡、 保存结果； 重复上一 存结果； 开挖 1． 4 m、 步至程序运算收敛。 综上， 本次利用 FLAC3D 程序最终建立的模型以及选取的坐
－3 土钉： 直径 Φ = 28 mm， 横截面面积为 x carea = 8． 5e ， 钉体弹 9 3 性模量为 e mod = 200e Pa， 浆体与土体的粘结强度为 100e N / m， 浆 体剪切刚度 为 200 kPa， 钻 孔 周 长 为 0． 314 m， 浆体内摩擦角为
1 数值模拟分析 1 ． 1 建模基本假定
土搅拌桩（ 墙） 与土体一样采用实体单元来对其材料赋值进行模 ［8 ］ 拟 。
1． 5
边界条件
因实际工程中的开挖过程对模型边界的应力及应变影响较 小， 故对模型的前面、 后面和底面三面都施加固定约束， 两个侧面 仅对 Y 方 向 固 定。 这 样， 模型将近似服从静止土压力分布形
1022 收稿日期： 2012作者简介： 许世雄（ 1983- ） ， 男， 助理工程师
1 ） 土体假定为均匀、 各向同性的弹塑性体， 土钉考虑成弹性 结构体； 2 ） 不考虑坡顶超载作用对坡体稳定及位移变形发展的影响 作用； 3 ） 不考虑地下水及孔隙水压力对支护结构的作用， 不考虑渗 ［5 ］ 流影响 。
25° 。 2 ） 建模过程。 因基坑坡体最危险的部位位于基坑长边的中间， 因此本文将 以该部位作为分析对象， 在 Y 方向取一列土钉的宽度来进行简化 搅拌桩厚 并且建立模型。模型宽度（ 即土钉的水平间距） 1． 2 m， 度 1 m， 模型整体高 30 m， 长 50 m， 如图 1 所示。土钉为钻孔注浆 钉， 直径 100 mm， 土钉长度如表 1 所示， 土钉倾角 15° ， 水平间距 1． 2 m， 竖向间距 1． 4 m， 设置每步开在基底以上 0． 5 m 位置施工 土钉。
1． 3
土体本构模型
土钉排号 土钉长度 1 15
图1
表1
2 15
FLAC3D 模型
土钉长度情况
3 15 4 12 5 12 6 9
Coulomb 模型在岩土工程仿真模 因 FLAC3D 程序中的 Mohr［6 ］ Coulomb 弹塑 拟研究中得到极其广泛的应用 。 本文选用 Mohr性模型作为土体本构模型 。
2． 1
基坑未支护开挖模拟
基坑开挖未支护条件下， 获得的结果如图 2 所示。
Z Y X
图5
0.000
搅拌桩复合土钉支护开挖坡体变形矢量图
墙体位移/m 0.010 0.020 0.030
Z Y X
墙体深度/m
［2 ， 3 ］
条件比较严苛，
或对位移要求比较高的时候， 就要采用位移控制满足要求的直立 ［2-4 ］ 。 开挖支护方式 本文将模拟均质土基坑直立开挖支护结构来进行模拟分析， 获得在以变形控制为主的支护设计方案进行比选时提供一些参 考建议。
泊松比 ν = 0． 3 ， 弹性模量取 E50 = 16 MPa。 搅拌桩： 粘 聚 力 c = 400 kPa， 内 摩 擦 角 = 35° ， 重度 G = 21 kN / m3 ， 泊松比 ν = 0． 25 ， 弹性模量 E50 = 600 MPa。
第 38 卷 第 35 期 2012 年12 月 文章编号： 1009-6825 （ 2012 ） 35-0095-03
山
西
建
筑
SHANXI
ARCHITECTURE
Vol． 38 No． 35 Dec． 2012
· 95·
基 坑 工 程 直 立 开 挖 支 护 的 FLAC3D 数 值 模 拟 分 析
许世雄
（ 中国建筑科学研究院地基基础研究所， 北京 100013 ）
摘
要： 采用 FLAC3D 有限差分软件对 10 m 深均质土基坑进行直立开挖， 在未支护、 土钉支护和搅拌桩复合土钉支护 3 种工况
对位移及土钉内力Fra Baidu bibliotek行对比分析， 得出在均质土直立开挖基坑时可优先考虑搅拌桩复合土钉支护形式， 以获得合理支护效果。 下， FLAC3D 模拟， 关键词： 基坑支护， 直立开挖， 对比分析 中图分类号： TU463 文献标识码： A 式
［1 ］ ［7 ， 8 ］
0
引言
基坑放坡开挖的形式是最早的一种基坑开挖方式 ， 该方法
。
1． 6
建模过程
1 ） 参数情况。 3 土体： 粘聚力 c = 18 kPa， 内摩擦角 = 22° ， 重度 G = 18 kN / m ，
要求周边存在比较空旷的施工场地， 并且该方法土方量一般会非 常大， 同时要选择合理的开挖坡度， 以保证开挖坡体的稳定性 。 而当拟建建筑处于建筑物较密集， 或周边环境
1． 2
分析目的
本文基于均质土基坑开挖分别建立开挖不支护坡体 、 纯土钉 支护坡体、 搅拌桩复合土钉支护坡体 3 种工况下的开挖模型进行 运算分析。首先， 对无支护条件下的均质土基坑的开挖过程进行 模拟， 分析其破坏状态； 再次， 在模型中设置土钉结构进行支护并 开挖， 对纯土钉结构支护后的基坑边坡的变形进行了模拟分析； 最后， 对水泥土搅拌桩复合土钉支护结构体系对基坑开挖的支护 对基坑位移变形特性进行分析， 总结出一些具 效果进行了模拟， 。 有参考价值的结论
· 96·
第 38 卷 第 35 期 2012 年12 月
山
西
建
筑
标系统如图 1 所示。
2
数值模拟结果分析
本文将对开挖未支护的基坑坡体 、 纯土钉支护的基坑坡体及
墙的联合结构进行基坑支护， 较单独使用时能够在控制坡体位移 等方面将获得明显效果 。
搅拌桩复合土钉支护的基坑坡体过程进行仿真模拟， 之后将获得 。 的结果进行分析
m
7 6
1． 4
结构单元
在数值模拟的过程中， 土钉结构采用锚索单元
［6 ， 7 ］
具体模拟过程如下： a． 未支护、 纯土钉支护基坑开挖模拟过程为： 建立模型， 运行 。 因水泥 至初始平衡状态； 开挖 1． 6 m， 运行至平衡、 保存结果； 开挖 1． 4 m， 运行至平衡、 保存结果； 重复上一步至程序运算收敛； b． 搅拌桩复合土钉支护基坑开挖模拟： 建立模型， 运行至初 始平衡状态； 设置搅拌桩； 开挖 1． 6 m、 设置土钉、 运行至平衡、 保 设置土钉、 运行至平衡、 保存结果； 重复上一 存结果； 开挖 1． 4 m、 步至程序运算收敛。 综上， 本次利用 FLAC3D 程序最终建立的模型以及选取的坐
－3 土钉： 直径 Φ = 28 mm， 横截面面积为 x carea = 8． 5e ， 钉体弹 9 3 性模量为 e mod = 200e Pa， 浆体与土体的粘结强度为 100e N / m， 浆 体剪切刚度 为 200 kPa， 钻 孔 周 长 为 0． 314 m， 浆体内摩擦角为
1 数值模拟分析 1 ． 1 建模基本假定
土搅拌桩（ 墙） 与土体一样采用实体单元来对其材料赋值进行模 ［8 ］ 拟 。
1． 5
边界条件
因实际工程中的开挖过程对模型边界的应力及应变影响较 小， 故对模型的前面、 后面和底面三面都施加固定约束， 两个侧面 仅对 Y 方 向 固 定。 这 样， 模型将近似服从静止土压力分布形
1022 收稿日期： 2012作者简介： 许世雄（ 1983- ） ， 男， 助理工程师
1 ） 土体假定为均匀、 各向同性的弹塑性体， 土钉考虑成弹性 结构体； 2 ） 不考虑坡顶超载作用对坡体稳定及位移变形发展的影响 作用； 3 ） 不考虑地下水及孔隙水压力对支护结构的作用， 不考虑渗 ［5 ］ 流影响 。
25° 。 2 ） 建模过程。 因基坑坡体最危险的部位位于基坑长边的中间， 因此本文将 以该部位作为分析对象， 在 Y 方向取一列土钉的宽度来进行简化 搅拌桩厚 并且建立模型。模型宽度（ 即土钉的水平间距） 1． 2 m， 度 1 m， 模型整体高 30 m， 长 50 m， 如图 1 所示。土钉为钻孔注浆 钉， 直径 100 mm， 土钉长度如表 1 所示， 土钉倾角 15° ， 水平间距 1． 2 m， 竖向间距 1． 4 m， 设置每步开在基底以上 0． 5 m 位置施工 土钉。