摘 要：基坑开挖过程中如何采取合理的支护方式，不仅影响基坑本身的安全性，同时也会对周围建筑物的安全造成影响。基坑开挖土钉支护过程中，通过计算得出基坑的水平位移、竖直位移、土钉的内力及应力应变分布。用FLAC3D对基坑开挖与支护的过程进行数值模拟，并将其结果与实测结果进行比较，可对基坑的开挖与支护的稳定性进行评价，对工程施工具有重要的指导意义。

　　关键词：基坑开挖;土钉支护;FLAC3D;稳定性

　　1引言

　　基坑在开挖过程中，随着开挖深度的增大不仅自身的安全系数降低，而且开挖引起的侧向位移和不均匀沉降也会对周围环境造成破坏，从而给已建建筑和地下管线带来破坏，如何采取合理的基坑支护方法是基坑施工安全的关键。基坑开挖及支护的方式很多,具体基坑开挖及支护方式的选择必须结合场地情况、周围环境以及土层条件等因素进行综合考虑。土钉支护以其材料用量节省、经济可靠且施工快速简便等独特的优点而得到越来越广泛的应用与推广,使其成为继撑式支护、排桩支护、连续墙支护及锚杆支护之后又一项较常用的支护技术[1]。

　　2 工程实例

　　2.1 工程背景

　　拟建工程为河南理工大学超市工程，占地面积约990㎡。超市工程为地下1层，地上3层的框架结构，基坑开挖深度6.5m。拟建工程场区地势平坦，但周围建筑物及道路已经形成，基坑的变形会对已有建筑物造成影响。基坑东边6m处为已建成使用的3层办公楼，复合地基及条形基础，南边3m处为原有道路，西边10m处有已建成并使用的6层住宅，北边3m处为原有道路。其平面位置如下图(1)所示。

　　根据勘察报告提供的资料，场区的基本工程性质条件可概括为：在地表下23m深度范围内，土层可以分为三大层。第一大层系埋深8m以内土层，其上部以粉质粘土为主，呈软塑～可塑状态;往下逐渐相变为粉土，中密状态，埋深4m左右夹一层厚度小于1m的棕褐色粉质粘土。第二大层系粉质粘土层，上部以硬塑状态为主，往下逐渐过渡呈可塑～硬塑状态，含较多结核、碎石，局部富集成层。该面层顶面埋深8.5m左右，厚度约7m。第三大层主要为粉土和粉质粘土，埋深大于15m。

　　2.2 基坑支护方案设计

　　根据场地工程地质条件及周边环境，本工程采用土钉+喷射混凝土复合土钉墙支护方法，如图4所示。土钉的主要作用在于[2,3]:土钉体与周围的土体紧密结合,并依靠接触界面上的粘结力或摩擦力与周围土体形成复合土体,最大限度地利用基坑边壁土体固有的力学强度,变土体荷载为支护结构体系的一部分,达到安全、经济地维护深基坑边壁整体稳定性之目的。

　　3 数值模拟分析

　　3.1 FLAC3D简介

　　FLAC是快速拉格朗日差分分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua)的简写，渊源于流体动力学，已成为目前岩石力学计算中的重要数值方法之一。广泛用于模拟三维土体、岩体或其他材料力学特性，尤其是达到屈服极限时的塑性流变特性，广泛应用于边坡稳定性、支护设计及评价、地下洞室、施工设计(开挖、填筑)等多个领域。三维快速拉格朗日分析将计算区域划分为若干四面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系。如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形，这种方法非常适合于模拟大变形问题[4 ]。

　　3.2 模型建立

　　由于基坑西侧为六层的住宅楼，东侧为三层办公楼，东西方向有自来水管、污水管及通信电缆等，安全等级要求高。本文对基坑东侧进行数值模拟。计算模型以基坑开挖中心线和东边办公楼以西3m为界，底面取地面下10 m为界，基坑东西方向长30m，南北方向长25m。取东西方向为50m，南北方向为45m。四面采用可动滚轴支座边界条件约束侧向变形;底面采用固定支座边界类型，约束铅直方向变形;顶面为自由面。所建模型共100000个单元，106641个节点，在建模时考虑到面层和土钉附近材料的不均匀性及尺寸大小的差异，在支护面层、水泥土墙和土钉附近单元网格划分较密.网格的具体划分见下图：

　　在土钉支护的数值分析中,一般采用两类原则:(1)视支护体系中的土钉(锚杆)和被加固土体为一复合体,适当提高土体的强度指标(c, φ)以此计入土钉的补强作用进行分析;(2)土体采用平面单元,土钉则采用杆单元(不考虑土钉的弯剪作用),选择恰当的破坏模式,按经典土力学理论进行分析[5]。本例的数值分析采用第二类原则进行。本工程共进行三层开挖, 在开挖过程中运用了5层土钉支护。由于开挖形成临空面,成为敏感区域,所以在其附近进行网格的加密。

　　3.3 计算结果与分析

　　下图(a)为x(东西)方向的位移图，由下图可见基坑边坡的最大位移不再顶部，而是在基坑的中下部，其最大位移为5.911×10-2，超出了基坑变形的允许范围6.5×10-3～1.95×10-2(即基坑深度的1‰～3‰)，所以基坑在开挖过程中不进行支护是不安全的。图(b)为x(东西)方向的应力云图，应力从上至下逐渐增加，而且坡脚处有应力集中现象，因此, 基坑的坡角是破坏的危险区域, 在支护结构的设计和施工中应给予重点的关注, 严禁基坑的超挖, 并进行及时的支护。

　　图a

　　图b

　　图c

　　图c为基坑竖直方向的位移图，通过分析可见其竖向变形很小，不会影响基坑的安全。

　　本基坑工程计划采用五排土钉进行支护,土钉支护有别于其他支护形式的作用机理,它是以一定程度上的土体变形为代价,充分发挥土钉抗拉强度,约束土体进一步变形的主动支护形式。它通过在土体内设置一定长度和密度的土钉,使其与周围土体一起产生共同作用,即土钉、土体作为一个共同体,弥补土体自身抗拉、抗剪强度的不足,提高了复合土体的整体刚度,使土体的自身结构强度潜力得到充分发挥,并有效地改变了基坑的变形和破坏形态[6]。土钉的水平及竖向间距初选为Sh=1.2m、Sv=1.2m，土钉钻孔的向下倾角，计算深度H=6.5米。不考虑在基坑周边堆放材料及行走载重车辆的影响，地表均布荷载q=10 kN/m2，选取土钉直径d=20mm，各排土钉的长度见上图4。

　　对基坑加入土钉后进行计算，x方向的位移云图如下图d，由图可见东侧最大位移为5×10-3m,小于6.5×10-3m,满足要求，基坑在安全变形范围内。经现场实际观测，基坑及周围地面最大位移为8.6mm。与实际观测有些出入,原因主要是在采用FLAC 程序模拟开挖支护过程时, 根据基坑实际的工程地质特征和施工进度, 分作了三个不同的施工阶段进行分析, 并不像在模拟过程中的连续开挖，而且没有考虑周围堆载及地下水的影响，与实际工程边开挖边支护的施工过程仍然存在一定差异。x方向的应力图如下图e，与支护前基坑的应力图对比可见，土体的应力减小近十倍，基坑的安全性大大提高。

　　图d

　　图e

　　4 结语

　　采用FLAC 程序模拟分析得到基坑水平位移值与实测值相差不大, 并对差值进行了分析;在应力方面, 改善了基坑边坡土体的应力集中的现象, 从而制约了土体的变形; 剪应力在支护结构和坡角处有集中现象, 在坡角处较为严重。其模拟的结果和现场测试结果基本吻合。用FLAC 程序模拟分析基坑土钉支护的稳定性可以为基坑的安全施工提供重要的参考价值。

　　[1]陈肇元,崔京浩.土钉支护在基坑工程中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社，1997.

　　[2]秦四清，王建党等.土钉支护机理与优化设计.北京:地质出版社,1999

　　[3]曾宪明,黄久松,王作民等.土钉支护设计与施工手册.北京:中国建筑工业出版社,2000

　　[4]彭文斌.FLAC 3D实用教程[M].北京:机械工业出版社，2007.8

　　[5]刘志凯,郑 毅,左广州.基坑开挖与土钉支护的数值模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版)，2004,34(10):103-106.

　　[6]朱彦鹏,谢　强,张丹丽,王光彬.基于ADINA的深基坑土钉支护在正常及地震作用下的弹塑性三维有限元分析[J].四川建筑科学研究,2008,1(2):88-92.