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摘要: 文中以长沙新河三角洲基坑支护项目为例，运用FLAC3D软件进行數值模拟计算，得到随基坑开挖支护结构墙体变形特点、预应力锚杆轴力变化规律。对深基坑工程设计和信息化施工的实施具有实际意义。
Abstract：wall-anchor composite supporting structure is analyzed in this paper, backed by Foundation pit support project of Changsha. numerical simulation of excavation process of the project is done with the finite difference software FLAC3D, analysis deformation characteristics of retaining structure walls, prestressed bolt axial force changing rule, as Foundation pit excavation. There is practical significance On deep Foundation pit engineering design and implementation of informatization construction.
关键词: 深基坑 墙锚支护 FLAC3D模拟 变形分析
Key words: Deep Foundation pit；Wall-anchor structure；FLAC3D simulation；deformation analysis
中图分类号： TV551.4 文献标识码： A 文章编号：
国内在大踏步的现代化建设过程中，高层、超高层建筑雨后春笋般出现的同时，地面空间变得十分紧张。城市地下空间的开发与利用变得尤为重要。使得深基坑工程面积、深度及难度也不断的增大。深基坑支护结构形式和特性的研究随深基坑的发展也在不断地进行。
地下连续墙技术从形成以来在深基坑及深基础工程中发展迅速，有效性得到了工程界广泛认可，预应力锚杆发展已较成熟，应用更广泛，充分利用二者特点的墙锚支护结构，现在已应用于深基坑工程中。对墙体变形及预应力锚杆轴力变化规律还缺乏深入的研究，采用数值模拟的方法对其进行分析[1]，对今后的深基坑支护设计具有较大的指导意义。
一、工程概况
北辰长沙新河三角洲项目A1D1区场地位于长沙伍家岭新河三角洲。本项目A1D1地块西侧紧邻湘江大堤；北侧为在建两馆一厅项目，隔两馆一厅项目与浏阳河相望；东侧为湘江大道，湘江大道北部为浏阳河隧道。本项目整个地块呈三角形，南北长约850m，北侧东西宽约235m，占地面积约90000 m2。基坑深度为15.0m，局部15.5m、16.0m。基坑重要性安全等级为一级。
基坑工程的支护结构体系采用地下连续墙+锚杆的支护帷幕体系，-4.00m标高以上采用土钉墙支护，以下采用地下连续墙+锚杆支护。土钉墙放坡比例1:0.4，在-2.80m处放3.50m宽的台阶。地下连续墙厚1000mm，墙深16.50m，嵌固深度4.30m，墙顶设一道钢筋混凝土冠梁，冠梁顶标高-4.00m，截面尺寸1000×1000mm。标高-4.40m、-7.00m和-9.00m处各设置一道预应力锚杆。支护结构剖面图见图1。
图1支护结构剖图
二、数值模拟
1、模型及参数的选取
本文采用FLAC3D有限差分软件对该基坑开挖过程进行数值模拟[2]。为了简便计算，取基坑的一部分进行计算分析。考虑到基坑开挖的影响边界范围与开挖形状、深度及土层土质条件等因素有关，取基坑开挖尺寸的三倍，计算深度取地下连续墙底以下一倍，进行建模分析。本文土体本构模型选用Mohr-Coulomb弹塑性模型，地下连续墙采用实体单元模拟，选用锚索（cable）单元模拟[3]。地下连续墙高16.5m，厚1m，采用C30混凝土；预应力锚杆总长度为21m,锚固长度为13m,预应力为500KN。
根据岩土工程详细勘察报告，模型中土体划分为4层，具体计算参数见表1。
表1 各土层的计算参数
2、基坑开挖过程仿真模拟
土体与预应力锚杆的受力和变形与基坑开挖动态过程有着密切的关系，在基坑支护设计过程中，研究基坑支护结构随各开挖过程受力及变形的规律十分必要。步骤如下：
（1）在开挖之前，安装好地下连续墙，建立好初始状态平衡。
（2）开挖分4次完成，第一步开挖深度为0.9m, 第二步开挖深度为2.5m, 第三步开挖深度为3m, 第四步开挖深度为7.1m。
（3）除第4次外，每次开挖后，安装一排锚杆，且在下次开挖前加上预应拉力。锚杆的预应力用FISH函数来实现，预装荷载自动调整与平衡状态一致。
3、数值模拟结果分析
（1）墙顶水平位移分析
在模型开始开挖前，在设置墙顶水平位移监测点，对墙顶水平位移在开挖过程进行全过程监视。得到支护结构墙顶水平位移变化曲线，如图2。
图2 支护结构墙顶水平位移变化曲线图
1）当基坑进行第一步开挖时，墙顶水平位移随开挖过程迅速增大，这也是悬臂挡土墙的特点。开挖深度仅为0.9m，最大位移约达3mm。
2）当第二道锚杆施加完成并进行第二步开挖时,墙顶水平位移有回弹现象，然后继续增大。这种现象的出现就是体现了预应力锚杆的作用。
3）当进行最后一步开挖时，由于开挖深度较大，水平位移增大很快，然后随时间和基坑的逐渐稳定，墙顶水平位移最终稳定，仅有很小的上下波动，位移在12.5mm左右。
（2）预应力锚杆轴力分析
对第三层锚杆进行监测，得到预应力锚杆轴力变化曲线，如图3.
图3 第三排锚杆轴力随基坑开挖变化曲线
从三排预应力锚杆的轴力变化曲线可以得出，锚杆在张拉锁定后的卸荷、随机坑土体开挖的轴力增大和最后轴力稳定的三个阶段。总体来看，随着开挖锚杆逐渐发挥作用，其承受的拉力越来越大，这是由于开挖，土体产生卸荷，土体有了相对位移，产生摩阻力，传递给锚杆。
（3）地下连续墙体变形分析
随着开挖深度不断增大，以及预应力锚杆的施加，导致地连墙上弯矩的重新分布，墙身中间位移增大最明显，呈凸形。开挖深度越深，这种现象越明显。根据实际工况对基坑的每次开挖后进行模拟，最终基坑水平位移云图如图4。
图4支护结构X方向水平位移云图
从模拟过程中可以看出，地下连续墙的水平位移，随着开挖深度的增大，位移值逐渐增大。随着开挖深度的增加和预应力锚杆的施加，墙体的变形形态非常明显。
1）在基坑开挖第一步，没有施加第一道锚杆之前，最大位移出现地下连续墙的顶部，最大位移为2.8mm。
2）随着第一道预应力锚杆的施加完成，进行第二步开挖时，最大位移处出现了变化，并非出现在墙顶，相反墙顶的位移稍有减少，变为2mm。
3）达到最大开挖深度时，最大位移稳定在基坑的中部，最大位移为17mm。远远小于监测报警值30mm。
三、结论
（1）墙锚复合支护结构墙顶水平变形曲线阶段性呈平台状，是由于基坑在分布开挖过程中，锚杆施加预应力导致的，多层预应力锚杆的施加有效减缓和减弱了基坑的变形。
（2）锚杆应力随着基坑开挖的时间效应大致分张拉并锁定后卸荷、轴力上升和应力稳定三个阶段，卸荷值达20%。
（3）由于第一道预应力锚杆的施加，导致墙体的最大变形未出现在墙顶，而是出现在底层锚杆附近，位于开挖深度的中下部；由于二、三道锚杆的作用，使地下连续墙的变形大体呈“S”形。数值模拟结果中墙体最大位移为17mm，完全复合安全性要求。
参考文献
[1] 王一鸣.有限元理论在基坑工程中的应用研究[D].江苏：南京航空航天大学,2006.
[2] 陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008.
[3] 孙书伟等. FLAC3D在岩土工程中的应用.北京:中国水利水电出版社,2011.
Abstract：wall-anchor composite supporting structure is analyzed in this paper, backed by Foundation pit support project of Changsha. numerical simulation of excavation process of the project is done with the finite difference software FLAC3D, analysis deformation characteristics of retaining structure walls, prestressed bolt axial force changing rule, as Foundation pit excavation. There is practical significance On deep Foundation pit engineering design and implementation of informatization construction.
关键词: 深基坑 墙锚支护 FLAC3D模拟 变形分析
Key words: Deep Foundation pit；Wall-anchor structure；FLAC3D simulation；deformation analysis
中图分类号： TV551.4 文献标识码： A 文章编号：
国内在大踏步的现代化建设过程中，高层、超高层建筑雨后春笋般出现的同时，地面空间变得十分紧张。城市地下空间的开发与利用变得尤为重要。使得深基坑工程面积、深度及难度也不断的增大。深基坑支护结构形式和特性的研究随深基坑的发展也在不断地进行。
地下连续墙技术从形成以来在深基坑及深基础工程中发展迅速，有效性得到了工程界广泛认可，预应力锚杆发展已较成熟，应用更广泛，充分利用二者特点的墙锚支护结构，现在已应用于深基坑工程中。对墙体变形及预应力锚杆轴力变化规律还缺乏深入的研究，采用数值模拟的方法对其进行分析[1]，对今后的深基坑支护设计具有较大的指导意义。
一、工程概况
北辰长沙新河三角洲项目A1D1区场地位于长沙伍家岭新河三角洲。本项目A1D1地块西侧紧邻湘江大堤；北侧为在建两馆一厅项目，隔两馆一厅项目与浏阳河相望；东侧为湘江大道，湘江大道北部为浏阳河隧道。本项目整个地块呈三角形，南北长约850m，北侧东西宽约235m，占地面积约90000 m2。基坑深度为15.0m，局部15.5m、16.0m。基坑重要性安全等级为一级。
基坑工程的支护结构体系采用地下连续墙+锚杆的支护帷幕体系，-4.00m标高以上采用土钉墙支护，以下采用地下连续墙+锚杆支护。土钉墙放坡比例1:0.4，在-2.80m处放3.50m宽的台阶。地下连续墙厚1000mm，墙深16.50m，嵌固深度4.30m，墙顶设一道钢筋混凝土冠梁，冠梁顶标高-4.00m，截面尺寸1000×1000mm。标高-4.40m、-7.00m和-9.00m处各设置一道预应力锚杆。支护结构剖面图见图1。
图1支护结构剖图
二、数值模拟
1、模型及参数的选取
本文采用FLAC3D有限差分软件对该基坑开挖过程进行数值模拟[2]。为了简便计算，取基坑的一部分进行计算分析。考虑到基坑开挖的影响边界范围与开挖形状、深度及土层土质条件等因素有关，取基坑开挖尺寸的三倍，计算深度取地下连续墙底以下一倍，进行建模分析。本文土体本构模型选用Mohr-Coulomb弹塑性模型，地下连续墙采用实体单元模拟，选用锚索（cable）单元模拟[3]。地下连续墙高16.5m，厚1m，采用C30混凝土；预应力锚杆总长度为21m,锚固长度为13m,预应力为500KN。
根据岩土工程详细勘察报告，模型中土体划分为4层，具体计算参数见表1。
表1 各土层的计算参数
2、基坑开挖过程仿真模拟
土体与预应力锚杆的受力和变形与基坑开挖动态过程有着密切的关系，在基坑支护设计过程中，研究基坑支护结构随各开挖过程受力及变形的规律十分必要。步骤如下：
（1）在开挖之前，安装好地下连续墙，建立好初始状态平衡。
（2）开挖分4次完成，第一步开挖深度为0.9m, 第二步开挖深度为2.5m, 第三步开挖深度为3m, 第四步开挖深度为7.1m。
（3）除第4次外，每次开挖后，安装一排锚杆，且在下次开挖前加上预应拉力。锚杆的预应力用FISH函数来实现，预装荷载自动调整与平衡状态一致。
3、数值模拟结果分析
（1）墙顶水平位移分析
在模型开始开挖前，在设置墙顶水平位移监测点，对墙顶水平位移在开挖过程进行全过程监视。得到支护结构墙顶水平位移变化曲线，如图2。
图2 支护结构墙顶水平位移变化曲线图
1）当基坑进行第一步开挖时，墙顶水平位移随开挖过程迅速增大，这也是悬臂挡土墙的特点。开挖深度仅为0.9m，最大位移约达3mm。
2）当第二道锚杆施加完成并进行第二步开挖时,墙顶水平位移有回弹现象，然后继续增大。这种现象的出现就是体现了预应力锚杆的作用。
3）当进行最后一步开挖时，由于开挖深度较大，水平位移增大很快，然后随时间和基坑的逐渐稳定，墙顶水平位移最终稳定，仅有很小的上下波动，位移在12.5mm左右。
（2）预应力锚杆轴力分析
对第三层锚杆进行监测，得到预应力锚杆轴力变化曲线，如图3.
图3 第三排锚杆轴力随基坑开挖变化曲线
从三排预应力锚杆的轴力变化曲线可以得出，锚杆在张拉锁定后的卸荷、随机坑土体开挖的轴力增大和最后轴力稳定的三个阶段。总体来看，随着开挖锚杆逐渐发挥作用，其承受的拉力越来越大，这是由于开挖，土体产生卸荷，土体有了相对位移，产生摩阻力，传递给锚杆。
（3）地下连续墙体变形分析
随着开挖深度不断增大，以及预应力锚杆的施加，导致地连墙上弯矩的重新分布，墙身中间位移增大最明显，呈凸形。开挖深度越深，这种现象越明显。根据实际工况对基坑的每次开挖后进行模拟，最终基坑水平位移云图如图4。
图4支护结构X方向水平位移云图
从模拟过程中可以看出，地下连续墙的水平位移，随着开挖深度的增大，位移值逐渐增大。随着开挖深度的增加和预应力锚杆的施加，墙体的变形形态非常明显。
1）在基坑开挖第一步，没有施加第一道锚杆之前，最大位移出现地下连续墙的顶部，最大位移为2.8mm。
2）随着第一道预应力锚杆的施加完成，进行第二步开挖时，最大位移处出现了变化，并非出现在墙顶，相反墙顶的位移稍有减少，变为2mm。
3）达到最大开挖深度时，最大位移稳定在基坑的中部，最大位移为17mm。远远小于监测报警值30mm。
三、结论
（1）墙锚复合支护结构墙顶水平变形曲线阶段性呈平台状，是由于基坑在分布开挖过程中，锚杆施加预应力导致的，多层预应力锚杆的施加有效减缓和减弱了基坑的变形。
（2）锚杆应力随着基坑开挖的时间效应大致分张拉并锁定后卸荷、轴力上升和应力稳定三个阶段，卸荷值达20%。
（3）由于第一道预应力锚杆的施加，导致墙体的最大变形未出现在墙顶，而是出现在底层锚杆附近，位于开挖深度的中下部；由于二、三道锚杆的作用，使地下连续墙的变形大体呈“S”形。数值模拟结果中墙体最大位移为17mm，完全复合安全性要求。
参考文献
[1] 王一鸣.有限元理论在基坑工程中的应用研究[D].江苏：南京航空航天大学,2006.
[2] 陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008.
[3] 孙书伟等. FLAC3D在岩土工程中的应用.北京:中国水利水电出版社,2011.