FLAC3D在深基坑施工方案优化中的应用
黄俊，徐春
（中建三局第二建设工程有限责任公司，湖北武汉430074）
[摘要]以某基坑工程为背景，从施工角度介绍了如何利用数值模拟软件对施工部署进行优化.通过对比不同土模拟技术应用的可行性，也为深基坑施工优化提供了一种新的方法.最后通过研究预留土体截面对基坑变形的影 方开挖顺序对基坑变形造成的影响，确定最佳开挖方案.计算结果与现场监测数据的变形曲线相似，验证了数值响，总结出当预留土体宽度与该层土方开挖深度近似时，能够发挥土体的最大作用.
[关键词]深基坑；优化；变形；有限元模拟；预留土体
[中图分类号]TU753 [文献标识码]A [文章编号]1002-8498(2016)13-0031-06
Application ofFLACin ConstructionOptimization of Deep Foundation Excavation
Huang Jun Xu Chun
( The Second Constructin Co. Iad. of Chine Construction Third Enginecring Buren Wuhan fubei 430074 China)
Abstract :Based on the engineering practice this paper introduced how to use the numerical simulation software to optimize the construction plan from the perspective of construction. The optimal excavationscheme was determined by paring the influence of different excavation sequence on the deformation.The deformation curves are similar between calculation results and monitoring data which proved theoptimization of deep foundation excavation. Finally the effect of the soil section on the deformation of feasibility of the application of numerical simulation and also provided a new method for constructionexcavation was studied it is concluded that the soil mass can work well when the width of the reservedsoil and the depth of the excavation were approximated.
Key words ; deep foundation excavation μoptimization ;deformation ; simulations ;reserved soil
侧中部为1栋11层的电信大楼，基坑边线距建筑实际工程中的基坑是一个空间三维结构，土方边沿约6m，大楼采用桩基础、以上部砂层作桩端
0引言
开挖存在空间和时间效应，因此简单的深度变化持力层.比选，分析不同开挖顺序下对建筑沉降、桩顶位移为：①杂填土、②黏土、②粉质黏土、②，粉质黏土 件，对武汉深国投中心项目基坑开挖方案进行优化及支护桩变形造成的影响，为深基坑施工优化提供了一种新的分析方法.
根据勘察结果，基坑开挖深度范围内的土层夹粉土和②，层粉质黏土粉土、粉砂互层.场区承标高18.300m 压水稳定水位埋深在-11.200m附近，相当于绝对
1工程概况
该基坑平面近于直角三角形，三边长分别约3支护方案
340，270m和400m，基坑底在±0.000（标高22.000m）下15.0m基底标高约为7.000m.基坑三边均为城市主干道，距道路边沿约10m：基坑北
基坑支护采用常规支护桩加整体2层、局部3层混藏土支撑体系，支撑底相对标高分别为-3.100，-8.800，-14.000m.支护桩桩径为 1200mm，间距1600mm，桩顶标高均为-2.300m，桩长约20.7-24.2m.选用三轴水泥搅拌桩侧壁止水.典型基坑支护结构如图1所示.
4监测点布置
5数值模拟分析
5.1模拟方案
5.1.1总体方案
5.1.2计算步骤
图1基坑支护剖面
Fig. 1 Vertical section of foundationexcavation supports
位置分布如图2所示.建筑物角部设4个沉降监测 电信大楼附近基坑共设置12个监测点，监测点点（F13，F14，F15，F16）；沿基坑边等距离设5个监测点（Si5，Si6，Si7，Si8，S9）：深层土体水平位移监测在基坑短边布设1个监测点CX1，长边布设2个监测点CX2 CX3.
图2监测点平面布置及施工分区Fig. 2 Layout of monitoring points and construction zoning
由于大楼位于基坑拐角处，该处土方开挖对基坑变形的影响较大.土方施工遵循分区分层开挖 原则，施工前根据支撑布置情况对基坑平面合理划分为4个区域，如图2所示.土方开挖方案选择4种开挖顺序，各方案开挖顺序如下：①方案1A区→B区→C区→D区；②方案2D区→C区→B区→A区；③方案3A区/C区→B区/D区；④方案4B区/D区→A区/C区.
每层土方开挖完毕后，及时施工混凝土内支撑，待养护达到要求后，方可进人下一层开挖.
5.2模型建立
5.3计算参数确定
上述4种方案均按以下过程模拟计算.
成土体初始应力场，完成后消除自重产生位移场及 1）第1步建立模型，开挖前先平衡运算，形速度场，只保留初始应力.
2）第2步基坑第1次开挖至第1道钢筋混凝土支撑下0.5m（-0.600--3.100m）.
3）第3步在-2.700m处设置第1道混凝土支撑，并赋予计算参数.
混凝土支撑下0.5m（-3.100--8.800m）.
支撑，并赋予计算参数. 5）第5步在-8.400m处设置第2道混凝土
6）第6步基坑第3次开挖土体至地下室底板垫层上方500mm（-8.800--13.700m），计算使其达到平衡.
本基坑最大开挖深度为13.7m，考虑基坑开挖对周围土层的影响范围为基坑开挖深度的3-5倍，深度影响范围为开挖深度的2-3倍.以电信大楼附近基坑为研究对象，该区域计算模型的三维尺寸为157.68m×134.84m×40.00m.对模 型的侧面边界设置水平向约束，底部边界设置竖直向约束，土体表面为自由边界.本工程计算模型共划分为110882个土体单元，1360个建筑物单元. 单元，346个钢筋混凝土支撑单元，115个支护桩
基坑北侧的电信大楼为框架结构，基础为混凝土灌注桩.由于本文仅研究建筑物沉降，因此可对电信大楼整体模型适当简化，以减少计算单元.根据提供资料，将每2层楼板荷载等效至1层楼 板上，墙体荷载等效至相应的框架柱上，每根柱下设1根桩单元，深基坑模型如图3所示.
图3深基坑数值计算模型
Fig. 3 Numerical simulation model of deepfoundation excavation
土体采用Mohr-Coulomb模型进行计算，根据地质斯察报告选取土层的力学参数，厚度取该区域内各部面土层厚度，具体参数如表1所示.
表1土层力学参数
Table 1 Mechanical parameters of soil
聚力内摩 压缩土层 厚度/ m （kNm-²) 重度/ kPa （°） 模量治松 E / 比杂堆土 MPa 0.40粉质黏土 2.3 4.4 19. 00 18.00 11.0 8.0 16.0 6.0 3.50.33粉质黏土夹粉土 粉质黏土夹粉砂 4.6 8.1 18.50 13.0 14.0 12.0 7.0 8.0 0.31 5.00.32粉砂 组砂 13.6 4.8 19.20 19. 50 0.0 0.0 31.0 34.019.0 0.30 15.5 0.30组砂夹粉质黏土 2.3 18. 80 10. 0 28.011.0 0.30哥砂 10. 6 4.2 19. 50 19.60 0.0 0.0 36.024.5 0.28 38.027.0 0.28强风化粉砂质泥岩83 中风化粉砂质泥岩12.8 22. 00130. 0 50. 0 22.0 16.044.0 0.27 0.24
弹性模量取30GPa，泊松比取0.2；支护桩选用pile 混凝土内支撑选用FLAC提供的beam单元，单元，弹性模量取30GPa，泊松比取0.2；水泥搅拌桩加固区简化为等效刚度的地下连续墙处理，弹性模量取40MPa，泊松比取0.25.本工程基坑施工时处于冬季，孔隙承压水水位较低，同时本文研究重 点在于不同的开挖顺序对基坑变形的影响，因此对于地下水位不予考虑.
图4建筑沉降随开挖变化Fig. 4 Variation of building settlement with
excavation process
最终沉降量分别为13.10mm和10.59mmm，与方案4的计算结果误差不大.而且F15点沉降变化曲线与方案4的曲线相似度较高，但F16点的沉降监测曲 线与计算值沉降曲线的变化过程有点差别，造成此结果的原因是：一方面，在数值模拟计算中，土方开挖每一阶段都是在计算达到受力平衡后才开始下一阶段的开挖，面实际施工中为连续性施工，上一 阶段开挖土方导致的沉降还没有稳定就进入下一阶段的开挖，导致最终计算的沉降值大于实际施工中的监测值.另一方面，数值模拟计算过程往往不能完全考虑实际施工中的各种因素，如地面临时附加荷载、超挖、未及时施工支撑等，这也是监测值 与计算值产生差异的原因，因此在数值计算中要尽可能建立符合实际施工工况的模型.
5.4模拟计算结果分析
5.4.1电信大楼沉降分析
基坑北侧的电信大楼离基坑边线仅5.6m，取距离基坑较近的F15和F16两个监测点的数据与计算值作对比.图4为不同开挖顺序下，测点所对应模型节点的沉降计算值随开挖过程的变化.
性增长，初期沉降值增长较为迅速，后期增长较慢， 从图4可以看出，建筑物沉降值随时间呈非线总体趋势呈缓慢递增状态.
对比4种方案沉降变化曲线，方案1，3前40d的沉降变化较方案2，4快.随着开挖的进行，建筑14.35mm，方案3为16.66mm，方案4为13.61mm 最大沉降值，方案1为15.63mm，方案2为在整个开挖过程中，方案2和方案4的曲线整体处于方案1与方案3曲线的上方，说明A区和C区的开挖对建筑物沉降值影响较大，在实际过程中应避 免首先开挖这部分土方.
5.4.2支护桩沉降分析
图5为不同土方开挖顺序下，Si6，Si8支护桩沉降计算值随土方开挖的变化曲线，并与现场监测数 据对比.
由图5可知，数值模拟的计算结果与实际监测的桩顶沉降变化趋势基本一致.随着开挖深度的不断增加，桩顶沉降值也呈线性增大.从以上4种序对支护桩桩顶沉降造成的影响不大，最终沉降量 方案桩顶沉降值曲线的变化范围可知，土方开挖联最大值与最小值之间差距不到10%，仅为1mm左右，这是由于支护桩采用端承桩设计，土层开挖对
对比两点沉降监测值的变化，两点在前30d内沉降值变化速率最快.30d时，F15点的沉降值增加至5.03mm F16点的沉降值增加至2.80mm.进入到30-40d内，两点的沉降变化速率均有所减缓， 表明此时支撑开始发挥作用，阻碍了沉降的发展.40d之后，随着第2层土方的开挖，沉降速率又开始加快，并逐渐趋于缓慢.120d时监测点F15，F16的
图5支护桩桩顶沉降随开挖变化Fig. 5 Variation of supporting pile settlement with excavation process
支护桩造成的影响微乎其微.
5.4.3支护桩水平位移监测
本文篇幅有限，仅选取具有代表性的测斜孔CX1的变形监测数据与计算数据作对比分析.
1）不同开挖阶段下同一测点的变形情况
根据现场对支护桩水平位移的跟踪监测数据，桩体各开挖阶段的水平位移如图6所示.
由图6可知，第1层土方开挖后桩体变形基本呈倒三角形，桩体水平位移从底端到顶端呈线性增 长[*；从第2层土方开挖阶段的曲线可以看出，在施工第1道支撑后，此时-2.700m处附近的变形受到了限制，不考虑-2.400m以上的变形，支护桩最大位移出现在-4.500m附近，为第2层开挖深度的1/4.随着基坑开挖深度增加，支护桩的变形也在整
图6各阶段支护桩水平位移监测值Fig. 6 Monitoring data of lateral displacementof supporting piles in different stages
体增大，第3阶段与第2阶段相比，-4.500m处的最大变形增加至18.87mm，较第2阶段增加了54.5%.面且在距坑底1.7m处也出现了新的较大 变形，变形值达到14.9mm.整个开挖深度范围内的支护桩变形曲线呈w形.
2）不同施工顺序在各开挖阶段的变形情况
侧移值，对比4种不同施工顺序下各开挖阶段的支 在计算结果中提取对应CX1监测点的支护桩护桩变形，由于现场测斜管顶部标高在-0.600m处，面实际支护桩顶部标高为-2.300m，因此模拟计算的测点数据从-2.300m处开始统计，各阶段支护桩侧移对比如图7所示.
在-0.600m到-3.100m土方开挖阶段，4种方案的计算值差别不大，比较支护桩水平位移最大值，方案3仅比方案4大0.92mm，同时4条曲线变化趋势类似，说明首层土方开挖顺序的不同对基坑变形影响不大，首层一般采取整体大开挖.进人 -3.100m到-8.800m土方开挖阶段，受到首道支撑的影响，最大变形位置出现在-5.000m处，方案1-4的最大位移依次是16.27，13.89，15.27，13.37mm，方案2和方案4的变形明显低于方案1和方案3.第3层土方开挖完毕后，方案1-4的最
图7各阶段支护桩侧移对比
Fig. 7 Comparison of lateral displacement of supporting piles in different stages
大位移分别为21.77，20.39，21.00，19.59mmm，方案1的最大变形值比方案4高出11.13%，由于方案2 采取最后开挖1区，导致CX1测点的支护桩变形时间较短，支护桩变形曲线与方案4差别不大.
比较计算与监测结果，监测值略小于计算值，但整体变形趋势基本一致.由于支护桩按照理想线弹性模型计算，所以在-2.700m和-8.400m支 撑位置处的变形突变并没有监测值明显.
通过上述4种方案对比，可以看出对基坑变形的控制效果，方案4>方案2>方案3>方案1.结果表明，对于大面积土方开挖，过早暴露基坑侧壁 会使支护结构产生较大变形，从时间效应上来看是不利的.同时，未开挖的土体对已开挖部分的基坑变形有一定抑制作用，说明间隔开挖对基坑变形的控制要优于连续开挖.由于方案4采取2个分区同时开挖，尽管初期对基坑变形影响较大，但是减少 了基坑临空面暴露时间和施工扰动次数，有利于变形控制.最终现场土方开挖按照方案4的顺序施工，而且监测点的变形曲线也与方案4的变形曲线相似，验证了数值模拟运用到基坑工程中的可行性.
6坑底预留土体对基坑变形的影响
当开挖过程中出现变形过大的情况时，可采取坑内预留土体加固、坑外设置隔离墙或对坑外深部土体注浆等措施控制基坑变形”.
6.1预留土体截面宽高的影响
基于第5节所建立的模型，研究坑底预留土体截面宽高变化对基坑变形的影响，预留土体如图1所示，坑底预留土体后的基坑变形计算结果如图8所示，图中的5条曲线分别代表5种加固高度：h=1，2，3，4m和4.9m下的基坑变形随宽度6的变化情况.
由图8可知，支护桩顶部水平位移变化曲线与建筑物沉降变化曲线非常相似.从横向看，当土体高度保持不变时，变形值随土体宽度的增大而减小，且宽度6=5m的变形控制效果明显优于5=2.5m的情况；从竖向看，当土体宽度保持不变时，变 形值随土体高度的增大而减小，当高度由1m增加至3m时，基坑变形的降低较为明显，面3，4，4.9m这3种高度下的曲线相差不大.
加至5.0m时，基坑变形的降低速率很快，支护桩顶 以土体高度为4.9m为例，当土体宽度从0m增部水平位移由22.35mm减小至17.65mm，减幅21.03%；建筑物最大沉降值由18.27mm减小至16.65mm，减幅8.87%.但当加固宽度增大到5m后，变形量的降低速率逐渐降低，加固宽度从7.5m 增加至10.0m时，支护桩顶部水平位移由16.25mm减小至15.95mm，减幅仅1.91%：建筑物最大沉降
Fig. 8 Influences of soil width on deformation 图8土体宽度对基坑变形的影响
of foundation excavation
值由16.28mm减小至16.01mm，减幅仅1.65%.说明预留土体的宽度达到一定值以后，增加预留土体的宽度对改善基坑变形的效果不大，还增加了后 期施工余土清理的工作量.
6.2预留土体截面形状的影响
由上面分析可知，尽管增加预留土体的宽度或高度对于基坑变形的控制都有较好的效果，但是必须设计合理的截面，才能充分发挥预留土体的作 用.表2，3列出土体宽高变化下对应的基坑变形值，其中表2的数据为Si7的顶部水平位移计算值，表3的数据为F15测点相应位置的沉降计算值.
保持截面面积S相同的情况下比较不同宽高比对基坑变形的影响.当S=10m²时，b=2.5，h=4， 6/h=0.625，桩顶位移值为19.87mm，沉降值为17.45mm;b=5 h=2 6/h=2.5的桩顶位移值为18.60mm 沉降值为 17. 14mm;b =10 h=1 b/h = 10的桩顶位移值为19.09mm，沉降值为17.20mm.随 着宽高比的增大，基坑变形值呈先降低后升高的趋势，说明宽高比存在一个最佳范围，超出这个范围时，宽高比过大或者过小对基坑变形的控制效果都不太明显.
面积下所对应的变形值，如图9所示. 根据表2，3的数据统计出12种不同土体截面
图9a表明，随着预留土体截面面积的增加，支护桩Si7的顶部水平位移值及电信大楼F15的沉降
