案例1 科學(xué)大道路車站基坑工程施工變形計算

1、案例1：合肥軌道交通二號線科學(xué)大道站基坑工程施工變形計算中科院計算技術(shù)研究所重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容: FLAC3D基坑數(shù)值建模方法 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬過程 基坑開挖數(shù)值模擬1.工程概況工程概況科學(xué)大道站位于長江西路與科學(xué)大道交叉口處，沿長江西路敷設(shè)，為地下兩層島式車站，車站總長273.63m，車站內(nèi)設(shè)單渡線。采用明挖順筑法施工。車站東西兩端區(qū)間隧道均采用盾構(gòu)法施工。周邊環(huán)境周邊環(huán)境車站主體結(jié)構(gòu)為地下二層單柱雙跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.7m，局部寬度為21.35m，覆土厚度3.295m5.196m，底板埋深16.81820.575m。在基坑南側(cè)為一高層建筑，與基坑位置關(guān)系如下圖。該建

2、筑結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上二十五層，地下室為兩層，主樓基礎(chǔ)采用梁板式筏板基礎(chǔ)。20.927.116.5243.2516.57.26土層情況土層情況該段地層內(nèi)上覆第四系人工填土、黏土、殘積土，下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)周公山組（J3Z）砂巖，巖層總體呈單斜狀，地質(zhì)構(gòu)造簡單。各地層的參數(shù)如下表5-1所示。地 層 代 號巖土名稱人工填筑土(素填土)黏土黏土強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖土的狀態(tài) 可塑硬塑 時代與成因Q4mlXQ3XQ3J3ZJ3Z重度 (KN/m3)18.5019.6020.521.1023.20比重Gs2.692.692.72 天然含水量w (%)20.9020.221.59 孔隙

3、比e0.7610.5770.618 抗剪強(qiáng)度(直接剪切)凝聚力C (kPa)164360 內(nèi)摩擦角 ()121415 抗剪強(qiáng)度(固結(jié)剪切)凝聚力C (kPa)183740 內(nèi)摩擦角 ()131618 綜合內(nèi)摩擦角 () 3335壓縮系數(shù)a0.10.2 (MPa-1)0.560.280.11 壓縮模量ES0.10.2 (MPa)3.05.012.0 變形模量E0 (MPa) 7.017.045.0 泊松比0.390.300.250.220.212.基坑模型建立與參數(shù)初始化基坑模型建立與參數(shù)初始化建模計算需要考慮的問題：1）基坑模型尺寸與邊界條件確定。2）如何在Flac3D中建立復(fù)雜模型。3）選取

4、合理本構(gòu)模型。4）初始應(yīng)力條件及初始應(yīng)力賦值。5）圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡化等效模擬6）圍護(hù)結(jié)構(gòu)與基坑土接觸的處理7）建筑基礎(chǔ)等效處理與荷載施加基坑尺寸與邊界條件基坑尺寸與邊界條件基坑工程數(shù)值分析的第一步是將設(shè)計方案的幾何信息轉(zhuǎn)化為數(shù)值模型網(wǎng)格并確定其合理邊界條件?；映叽绱_定：基坑尺寸大小應(yīng)根據(jù)基坑及其周邊環(huán)境條件共同確定，一般情況下根據(jù)上海軟土經(jīng)驗：上海軟土地區(qū)由基坑開挖引起的地面沉降的影響范圍一般不超過 5 倍開挖深度，且地面沉降影響范圍同時受到基坑平面規(guī)模和基坑長寬比的影響?；舆吔鐥l件：地表面邊界為自由邊界，底部約束豎向位移或采用固端約束，模型豎向截斷邊界僅約束法向水平位移。網(wǎng)格模型建立網(wǎng)格模型建

5、立FLAC3D的建模是基于命令輸入，對于復(fù)雜模型較難處理，因此工程技術(shù)人員一般借助于前處理較為強(qiáng)大的軟件建立模型，例如Ansys、Abaqus、Midas等軟件建立網(wǎng)格模型，再導(dǎo)入到Flac3D中進(jìn)行計算。本工程是利用Abaqus軟件建立模型，并生成包含網(wǎng)格信息的inp文件，通過編制的程序轉(zhuǎn)化為“.flac3d”的建模文件。建立的模型如下圖所示。本構(gòu)模型選擇本構(gòu)模型選擇土體是一類復(fù)雜的天然工程材料，具有復(fù)雜的變形特性： 土體是多相體，即使最一般的工程條件下也是二相飽和介質(zhì)，其力學(xué)性質(zhì)受地下水的影響； 土體的變形具有高度的非線性和非彈性，又存在塑性體應(yīng)變和剪脹性；土體的變形依賴于應(yīng)力路徑和應(yīng)力歷

6、史； 土體自身具有各向異性及變形的時間相關(guān)性等。土體本構(gòu)模型是巖土工程數(shù)值分析的關(guān)鍵，數(shù)百年來人們已經(jīng)提出了數(shù)百種土體本構(gòu)模型，而每一種本構(gòu)模型僅代表了巖土類材料特定狀態(tài)下變形行為。因此，每種本構(gòu)模型均有其局限性及特定的適用范圍。對于特定的工程分析在選取土體的本構(gòu)模型時，需考慮以下兩個因素： (1) 土體已知的材料特性； (2) 模型分析的應(yīng)用條件下表列舉了巖土工程分析中FLAC3D常用本構(gòu)模型特點(diǎn)及應(yīng)用范圍本構(gòu)模型選擇本構(gòu)模型選擇本構(gòu)模型本構(gòu)模型代表性材料代表性材料應(yīng)用示例應(yīng)用示例空模型挖空體空洞、開挖、后續(xù)填土區(qū)域各向同性線彈性模型線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的均質(zhì)、各向同性線彈性體強(qiáng)度界限以下的人造

7、材料(如鋼材)、安全系數(shù)分析正交線彈性模型具有三個相互垂直的彈性對稱面強(qiáng)度界限以下的柱狀玄武巖橫觀各向同性彈性模型彈性各向異性的疊層材料(如板巖)強(qiáng)度界限以下的疊層材料Drucker-Prager 模型極限分析、低摩擦角軟粘土隱式有限元分析與顯式拉格朗日分析常用的結(jié)果對比模型Mohr-Coulomb 模型松散或膠結(jié)的顆粒狀材料、土體、巖石、混凝土一般巖土力學(xué)分析(如邊坡穩(wěn)定 、 地下開挖等)應(yīng)變硬化/軟化Mohr-Coulomb模型具有硬化或軟化特性的顆粒狀材料后破壞研究(如漸進(jìn)塌落分析、屈服礦樁、冒頂?shù)?ubiquitous-joint模型強(qiáng)度各向異性的疊層材料(如板巖)緊密層狀地層中的開挖

8、雙線性應(yīng)變硬化/軟化ubiquitous-joint模型非線性硬化或軟化疊層材料疊層材料的后破壞研究Double-Yield模型壓力作用下引起永久體積減小的輕膠結(jié)顆粒狀材料/Modified Cam-clay 模型變形和抗剪強(qiáng)度為體積變形函數(shù)的材料粘土中的巖土工程施工分析Hoek-Brown模型各向同性巖石材料巖石中的施工分析本構(gòu)模型選擇本構(gòu)模型選擇本構(gòu)模型的類型本構(gòu)模型的類型不適不適用用適合于初步適合于初步分析分析適合于較精確適合于較精確的分析的分析適用于高級適用于高級分析分析彈性模型彈性模型橫觀各向同性彈性模型Ducan-Chang 模型彈性理想塑性模型Tresca 模型Mohr-coul

9、omb 模型Drucker-Prager 模型硬化模型Modified Cam-clay 模型 Harding Soil 模型 Bricks on string 模型小應(yīng)變模型Harding Soil with small-strain stiffness 模型MIT-E3 模型本構(gòu)模型選擇本構(gòu)模型選擇對于該地鐵車站基坑開挖計算，采用的本構(gòu)模型為Mohr-coulomb 模型 ，主要基于以下考慮：（1）本計算主要研究基坑開挖對周邊建筑沉降的影響，不需要精確計算基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變形，因此不需要用復(fù)雜模型。（2）本構(gòu)模型為Mohr-coulomb 模型計算參數(shù)容易獲取。（3）采用Mohr-cou

10、lomb 模型基本能滿足計算要求初始應(yīng)力條件初始應(yīng)力條件初始應(yīng)力場是開挖時的地應(yīng)力場，是基坑彈塑性計算的基礎(chǔ)，基坑開挖各階段的計算都是在此基礎(chǔ)上的進(jìn)行，應(yīng)根據(jù)不同的問題采用不同的手段進(jìn)行初始地應(yīng)力場的確定。對于地表面當(dāng)?shù)乇硭角宜型翆雍退慌c地表平行時，可采用 K0系數(shù)法確定初始地應(yīng)力場。軟土地區(qū)K0的取值一般在（0.51）之間當(dāng)?shù)乇矸撬綍r，其地應(yīng)力場確定需要采用施加重力場方法確定初始地應(yīng)力。圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡化等效模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡化等效模擬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計采用直徑1m的鉆孔灌注樁模擬。數(shù)值模擬中采用實(shí)體單元模擬，等效的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度為1.0m，通過抗彎剛度等效實(shí)現(xiàn)抗彎效果得等效。等效計算方法可參照

11、如下公式。式中：E為等效后單元的彈性模量；E1鉆孔灌注樁混凝土的彈性模量；E2為灌注樁鋼筋的彈性模量；I為等效支護(hù)結(jié)構(gòu)抗彎慣性矩；I1為原設(shè)計鉆孔灌注樁混凝土層抗彎慣性矩；I2為原設(shè)計鉆孔灌注樁鋼筋的抗彎慣性矩。1 122EIE IE I圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡化等效模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡化等效模擬基等效后的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如下所示：圍護(hù)結(jié)構(gòu)彈性模量(MPa)泊松比密度(kg/m3)鉆孔灌注樁等效12.51030.222000圍護(hù)結(jié)構(gòu)與基坑土接觸的處理圍護(hù)結(jié)構(gòu)與基坑土接觸的處理圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用，可通過在圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體間添加分界面來模擬。土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)作用的分界面模擬如下圖建筑基礎(chǔ)等效處理與荷載施加建筑

12、基礎(chǔ)等效處理與荷載施加兆信國際大廈基礎(chǔ)為獨(dú)立基礎(chǔ)和樁基，有兩層地下室，地下室采用筏板基礎(chǔ)?；A(chǔ)模擬時考慮樁土共同作用，采用等效剛度的方法模擬樁和樁間土共同作用。計算得出：P上部結(jié)構(gòu)=29x18=400.42 kN/m2。P地下室=35.03x2=70.06 kN/m2。3.基坑開挖支護(hù)過程模擬基坑開挖支護(hù)過程模擬數(shù)值計算模擬實(shí)際的施工工況，分為1個初始平衡步和8個開挖步，以及6步拆支撐建立樓板。根據(jù)現(xiàn)場施工方案，一期開挖科技大道東側(cè)基坑，開挖完成后分三步建立樓板，第一步建立底板拆第四層支撐，第二步建立第二層樓板拆第二、三層支撐，第三步建立上層樓板拆第一層支撐。二期開挖科技大道西側(cè)基坑，施工工況

13、與一期開挖工程相同?；娱_挖施工步模擬基坑開挖施工步模擬FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 43537 Model Projection09:03:32 Wed Jul 17 2013Center: X: 2.812e+002 Y: 1.438e+002 Z: 1.448e+001Rotation: X: 200.000 Y: 0.000 Z: 340.000Dist: 1.515e+003Size: 2.563e+002Block Groupzzttzhzhtzztjkt1jkt22-12-22-32

14、-4SEL Geometry Magfac = 0.000e+000SEL Geometry Magfac = 0.000e+000內(nèi)支撐模擬內(nèi)支撐模擬基坑內(nèi)支撐支護(hù)體系有四層，第一層為混凝土澆筑的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系，二四層為鋼管內(nèi)支撐。內(nèi)支撐在FLAC3D中按照梁(Beam)單元模擬，模擬過程中不考慮梁單元的自重。下圖分別為混凝土內(nèi)支撐體系和鋼管內(nèi)支撐體系模擬圖。內(nèi)支撐模擬內(nèi)支撐模擬計算模型中，混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度參數(shù)為C35，考慮到工作狀態(tài)下產(chǎn)生微裂縫的影響，混凝土剛度乘0.8的折減系數(shù)后，彈性模量取為25.2GPa。鋼支撐采用60916的管鋼，考慮到工作狀態(tài)接頭松動的影響，取鋼管撐剛度乘0.

15、8折減系數(shù)后，彈性模量取為168GPa，最終內(nèi)支撐的支護(hù)參數(shù)見下表。類別彈性模量/GPa泊松比橫截面積/m2垂直截面慣性矩/m4水平截面慣性矩/m4截面轉(zhuǎn)動慣性矩/m4第一層混凝土31.50.80.20.630.04250.02570.068二四層鋼管撐2100.80.30.02980.00130.00130.0026樓板簡化處理樓板簡化處理為考慮拆支撐對地表沉降的影響，需要在拆支撐的同時，建立車站使用階段內(nèi)部結(jié)構(gòu)。車站內(nèi)部梁板柱結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此計算主要針對地表沉降，因此內(nèi)部結(jié)構(gòu)因做必要簡化。計算中梁板結(jié)構(gòu)采用flac3D中shell結(jié)構(gòu)單元等效模擬，不考慮其重度，也不考慮柱的影響。其梁板結(jié)構(gòu)的等效如下圖所示。4.計算結(jié)果分析計算結(jié)果分析地表沉降（正值為沉降）和地表水平位移分別如下左圖和右圖所示。受基坑開挖影響，基坑周邊土層產(chǎn)生不同程度的沉降位移，地表的最大沉降發(fā)生在基坑與兆信國際大廈之間(圖中紅色部分)，最大沉降值為6.15mm地表位移地表位移4.計算結(jié)果分析計算結(jié)果分析下左右兩圖分別為大廈沉降位移云圖和沿建筑中心線的縱剖面合位移變形圖。建筑沉降變形建筑沉降變形4.計