河南商丘中建建筑第五工程将有限公司河南公司，韩龙飞 朱文伟 郭耐 孟志远 姚晓聪 张新亮 476000
摘要：为完善对穿锚固支护方式的理论体系，通过相似试验以及数值模拟试验，从对穿锚杆布设方式对支护体的影响分析，发现锚杆布设的方式不同，锚固支护体的最大位移值发生改变，锚杆破断失效的机制也不尽相同。研究结果推动了锚杆支护体的强化机理探索，进一步完善了对穿锚固支护方式的理论体系。
关键词：FLAC3D；基坑；锚索支护
中图分类号：TU458+.3 文献标识码：A
0引言
随着我国基础建设进一步发展，城市规模进一步扩大，越来越多的大型工程出现在人们的视野中，而很多大型工程不可避免的设计到深基坑问题[1]。尽管深基坑问题已经有很多相关研究，但不同的地质环境会对实际工况造成不同程度的影响。因此，一款能够通用解决岩土相关问题的软件FLAC3D被人们开发出来并应用到实际工程中。本文即基于FLAC3D软件对商丘市某工程中的深基坑支护进行数值模拟分析，以指导后续相关的实际工程。
1.工程概况
工程区位于河南省商丘市睢阳区，地上由7幢30层高层住宅楼、S1#2层商业楼、垃圾转运站、开关站、公厕及地下车库等组成。4、6#号楼基坑开挖范围长100m，宽80m，深9米。工程区域内浅层地下水补给来源主要为大气降水入渗补给，排泄方式主要为蒸发和人工开采。浅层地下水稳定水位标高45.88~46.77m，埋深2.3m~5.3m，属于潜水，主要赋存于第④层粉土顶部及下部各层粉土、砂层内。现场钻探所揭露地层表明，工程区地层如下：
①杂填土：层厚0.4~1.5m，均厚0.86m。该层以建筑垃圾及生活垃圾为主，局部夹杂粉土及粉质黏土团块。
②粉土夹粉质黏土：层厚平均为1.93m，该层以粉土为主，夹有粉质黏土薄层。
③粉质黏土：层厚平均为1.11m，灰褐色，可塑，中高压缩性，土质细腻光滑，韧性高，干强度高。
④粉土：层厚平均为2.92m，灰黄色，无光泽，干强度低，韧性低，该层局部夹有粉质黏土薄层。
⑤粉质黏土：层厚平均为1.24m，灰褐色，可塑，中高压缩性，土质细腻光滑，韧性高，干强度高。
⑥粉土夹粉质黏土：层厚平均为4.08m，粉土为灰黄色，无光泽，干强度低，韧性低。粉质黏土为灰黄色，可塑，中高压缩性，土质细腻光滑，韧性中等，干强度中等。
⑦粉质黏土：层厚平均为3.21m，灰褐色，可塑，中高压缩性，土质细腻光滑，韧性高，干强度中等。底部夹有一层粉质黏土透镜体，层厚平均为1.83m。
⑧细砂：层厚平均为19.97m。灰黄色，低压缩性，中密~密实。该层上部颗粒较细，局部相变为粉土或粉砂，并夹有厚度小于0.5m的粉质黏土薄层。
地层岩土的力学参数如下表：
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2数值模拟及结果分析
通过对基坑无支护状态下基坑的变形情况与支护后的变形情况进行数值模拟，比较得出支护方案的合理性以及后续方案的改善。
2.1模型的建立
支护方案拟定为：土钉水平向下倾斜10°，间距为1.2m，长度为10m，直径为20mm，孔径120mm。土钉墙注浆材料的用水泥砂浆或水泥素浆，水泥采用 425 #普通硅酸盐水泥，水灰比 0. 5∶ 1。坡面喷射C30混凝土，厚30mm。根据支护方案，使用差分网格单元建立基坑的岩土体实体单元，数值模拟的本构模型采用摩尔库伦模型。建立100×100×36m的立方体模型（如图1），以模拟岩土体。模型建立时进行条件的约束为四个侧面以及底部。初始条件中，不考虑构造应力，只考虑重力的影响。借助FISH语言进行模拟的伺服控制，实现材料参数的动态更新，最终实现混合离散模拟[3]。
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2.2 无支护下基坑变形结果分析
在无支护状态下，由于模拟只考虑自重应力，计算在自重作用下达到初始化平衡状态[3]，经过运算 24815步后，不平衡力比率小于 1×10－5，此时认为基坑各单元体已经在自重作用下达到平衡状态，此时得到的模拟计算结果见图 2，从图中可知当基坑无支护状态时，在自重应力的作用下其最大位移值达到了77cm，基坑底部位移值为70-77cm，基坑边缘位移值为55-70cm，基坑较大位移极有可能导致基坑塔方。尤其是基坑顶部边缘部位，位移值较大，基坑会发生失稳，导致基坑边坡出现坍塌事故。同时，基坑底部较大的隆起，导致基础发生破坏。通过基坑塑性区破坏图可知，基坑边缘在自重作用下会发生滑移，导致出现滑坡体，基坑底部的塑性区致使基底隆起破坏。
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2.3 土钉支护后基坑变形结果分析
对实际分析后，拟定使用土钉墙支护方式对基坑进行支护。通过拟定的基坑支护参数带入FLAC3D模型中，进行计算。计算至49682时步后模型达到平衡状态。
在土钉墙的支护后，基坑位移值降至4.88cm，相比无支护状态下，位移最大值降低了93.67%，且位移值在可控范围内，不会对基坑的稳定性有较大影响。同时可以看出基坑的长边边缘侧位移值相对于短边较大，且基坑底部的隆起值在中间部位最大。因此，在支护过程中，在位移值较大的地方可以加强支护。
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通过土钉的轴力图可知，土钉的最大轴力为1.25×109Mpa，其次土钉根据分部位置不同，轴力变化较大，由中间向两端轴力逐渐减小。由土钉上轴力的分布特点可知，基坑边墙内部的土钉所受轴力为张应力，且各边坡中土钉轴力最大值的连线分布特点呈近似圆弧型。因此，如基坑不采取支护措施，基坑很可能产生滑坡或是坍塌事故。而土钉两端轴力逐渐减小，是因为张拉荷载传递到土钉两端的外端时，应力开始向土体扩散。另一方面，根据土钉的位移值来看，很明显与轴力分布图较为相似，在基坑的每一条边坡中间部位的土钉位移值最大，由此可以断定，基坑边缘在无支护状态下会失稳。
3.结论
（1）利用 FLAC3D 对基坑进行数值模拟，得出基坑开挖后最大位移为77 cm，最大位移处为基底中部，同时边墙最大位移为55-70cm之间，如此较大位移较大可能会发生基坑坍塌及滑坡事故，应及时施加支护措施。同时，根据塑性区显示图可知，基坑边墙及坑底的塑性区范围，可依次作为支护方案的制定依据。
（2）根据土钉轴力的分布特征，分析出基坑边墙的中部受力最大，最大值的连线在基坑顶部呈弧形分部，符合实际的基坑开挖滑坡现象。因此，当基坑不采取支护措施时，将发生滑动破坏，使用土钉墙支护方式可以有效遏制滑移，在该地区的其他工程可以依据本工程的支护情况，采取更有效且经济的支护方式。
参考文献:
[1]陈曦. 我国"一带一路"基建行业股票指数影响因素的实证研究[D].
[2]陈育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M]. 中国水利水电出版社, 2013.
[3]马平，朱珊，杨佳平.土钉墙滑移面的数值模拟[J].世界地质，2005，24 ( 3) : 301-303．
作者简介：韩龙飞（1995-），男，河南滑县人，研究生，主要从事支护体强化机理方面研究。