基于FLAC3D的矩形深基坑稳定性三维数值分析研究

创新者：张旭康 王兄威 李朝军 谭定新

基于FLAC3D的矩形深基坑稳定性三维数值分析研究

创新者：张旭康 王兄威 李朝军 谭定新

以南宁市良庆大桥工程北锚碇基坑为工程实例，使用3DMine和ANSYS建立数值模型，运用FLAC3D进行数值模拟计算，分析矩形阶梯深基坑的应力、位移、塑性变形区分布情况，研究其形成原因以及危险源所在。结合模拟计算得出的基坑边坡在自然条件下的安全系数，确定基坑边坡处于欠稳定状态，应对边坡进行支护加固。

随着我国社会经济的飞速发展，城市化进程不断加快，作为承载城市交通运输设施的道路桥梁工程建设也在不断加大。在道路桥梁工程建设过程中，为了开挖和建筑稳定安全的基底结构，时常会形成各种临时性或者长久性的基坑。而基坑的稳定情况决定着建设工程施工建设的安全和质量。对于深基坑，以往的计算方法主要有等值梁法、太沙基法、山肩邦男法、弹性梁法弹塑性法等。随着计算机技术的迅猛发展，数值模拟方法被引入到设计分析研究中。对于深基坑边坡的稳定性分析，以往的数值分析方法通常将三维问题简化为一维问题或者二维平面问题。因其过度简化，容易出现主观失误，也未能形象真实地反映深基坑应力和位移分布情况。本文使用矿业专业建模软件3DMine和有限元软件ANSYS强大的前处理能力，建立与工程实际相吻合的数值模型，运用三维快速拉格朗日差分软件FLAC3D进行数值模拟计算，对南宁市良庆大桥工程北锚碇基坑进行数值模拟，据此分析了此类矩形深基坑的受力、位移、塑性变形区的分布情况，分析其受力机理以及边坡的稳定性情况，提出安全合理的支护加固方案，达到指导此类基坑开挖设计、现场施工及支护加固的目的。

工程概况

南宁市良庆大桥位于南宁市青秀区与良庆区范围内，位于青秀山风景区南侧，五象新区北侧，桥梁横跨邕江。主桥桥型为单跨悬索桥+重力式锚碇，主桥桥跨420m，桥宽37.50m，双向6车道。引桥采用砼连续梁。北岸引道接青环路，南岸引道接五象大道。南宁市良庆大桥工程北锚碇基坑位于邕江北岸，基坑平面形状长方形，底部尺寸为52.5×60m，基坑地面最大高程为94.5m，基坑坑底设计标高为45m，基坑最大深度49.5m。基坑设置多级平台放坡开挖，每级边坡高约10m，边坡之间设置马道，宽度2m。北锚碇基坑开挖出露地层分别为最上层边坡为人工填土及低液限粘土层，边坡高度约5～10m；强风化硅质页岩层边坡高度约20～30m；基坑底面为灰岩层。

数值模拟

数值模型的建立

根据南宁市良庆大桥工程北锚碇基坑开挖设计CAD平面图，以基坑底面矩形中心为中心点截取282.5×290m范围作为建模基础，在3DMine中对所截取的CAD平面图赋高程，形成三维基坑阶梯以及三维地表，将处理好的三维模型导入ANSYS中，进行点、线、面、体处理，形成多组与地质资料相吻合的岩性且根据需要划分好网格单元的数值模型。三维数值模型如图1、图2所示。

如图1、图2所示，根据工程地质资料和基坑设计资料，基坑共有4个阶梯。其中基坑南侧和西侧边坡较高，在第4个马道之上还有3～9m不等的边坡；东侧和北侧地势低洼，低于第4个马道，模型高度取高程10m平面至地表。

图1　基坑三维数值模型

图2　基坑三维地表模型

岩体力学参数

根据地质勘查部门提供的岩土体力学实验报告结果与rocklab软件计算，经过相应折减、计算，确定本次数值模拟岩土体力学参数，如表1所示。

边界条件及介质力学模型

本次数值模型的位移边界：在四个侧面边界临界面上约束水平方向的位移，在模型底部边界约束x、y、z三个方向的位移。介质力学模型采用摩尔-库仑屈服准则，初始地应力条件仅考虑模型部分的岩土层的自重。

数值模拟计算与结果分析

根据基坑设计资料，本次模拟基坑开挖完毕后未做任何支护加固工作，在正常天气条件下，基坑的稳定性情况。

表1　岩土体力学参数

图3　基坑表面最小主应力

图4　基坑横切面最大主应力

图5　总位移云图

图6　基坑塑性区

应力分析

随着基坑从地表向地下不断开挖，形成了矩形状的基坑以及倒梯形的基坑边坡，随着基坑深度的加深，矩形面收窄，最终形成了矩形阶梯状的深基坑。如图3、图4所示，矩形深基坑开挖完毕后，最小主应力出现在矩形基坑底面坡底线、矩形基坑四条角线以及各个马道台阶上，最大主应力在基坑表面表现不显著，主要出现在各个边坡及地表上。在FLAC3D中，由于压应力为负，拉应力为正，因此可知开挖基坑后，在重力作用下，基坑侧面岩土体发生位移，在基坑底面坡底线、矩形基坑角线以及各个台阶处造成挤压剪切作用，在基坑边坡和基坑附近地表上形成拉张应力。

位移分析

如图5所示，最大总位移出现在基坑西侧靠近地表的边坡上，为26mm左右。总位移较大的区域从大到小依次为基坑西侧上部边坡、南侧上部边坡、东侧上部边坡靠近南侧附近区域。总位移越靠近基坑底部越小，在基坑下部边坡形成以基坑底面为中心的回字形位移圈。通过命令流，调出各方向上的位移，z方向最大位移为-22.5mm，出现在西侧边坡上部，负值说明为沉降量。水平最大位移上，西侧为22mm，东侧为13mm，南侧为12.5mm，北侧5.2mm，均出现在各侧面上部边坡中央区域上。形成原因为基坑开挖之后，在岩土体重力作用下，岩土介质向挖空区位移，基坑边坡中央部分受限制较小，位移较大；而在矩形基坑角线上两侧边坡岩体相互挤压相互制约，位移较小；西侧因为边坡最高，表土层最厚，沉降量也最大。

塑形变形区及安全系数分析

如图6所示，基坑塑性区以剪切塑性变形区为主，剪切塑性区主要形成于基坑下部第一级边坡上，以及矩形基坑角线附近区域，西侧剪切塑性变形区相对较大。西侧上部边坡分布少数的拉伸塑性变形区，其他各边坡面有零星塑性区，并未形成连续区域。在自然条件下，求得基坑边坡的安全系数为1.17，略小于规范要求的1.20，边坡处于欠稳定状态。

结语

（1）在矩形基坑中，剪切应力出现在基坑角线以及各边坡坡底线附近区域，在各边坡中央区域以及基坑附近地表区域形成拉伸应力。

（2）在矩形基坑中，基坑边坡靠近地表区域位移较大；在各侧边坡中，边坡中央区域位移最大。在该基坑中，西侧边坡最高，其表土层较厚，因此西侧位移最大，也是潜在危险最大区域。

（3）在矩形基坑中，塑性变形区主要出现在第一级台阶靠近基坑底面的边坡上，以及矩形基坑角线附近区域上。该边坡处于欠稳定状态，在降雨条件尤其是暴雨工况条件下可能会失稳，因此应对边坡进行土钉加固支护。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.030