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摘 要：FLAC 3D数值模拟软件，可以根据不同时空情况针对深基坑支护工程进行模拟计算，分析基坑支护前后的受力及变形情况，简单易行，有很强的工程指导性。文章针对某复合土钉深基坑工程实例，选用FLAC 3D模拟基坑的分步开挖和复合土钉支护，对基坑地表沉降、坑底垂直位移、侧壁水平位移进行分析，得到了关于分步开挖下基坑变形的几点结论。
关键词：复合土钉；深基坑支护；基坑变形；FLAC 3D；数值模拟
中图分类号：TU476 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）35-0144-02
复合土钉作为基坑边坡支护的一种施工工艺，施工工艺简单，支护效果可靠，且不占据基坑作业空间，该项技术在多地基坑支护中得到广泛应用，被视为一种深基坑支护的常用施工方法。目前复合土钉墙施工工艺较为成熟，但是针对其支护原理、支护效果的理论研究相对落后，基坑分布开挖支护情况下土体受力特征、基坑变形规律及各影响因子相互关系亟需理论研究，基坑开挖支护模拟试验由于受到时空限制和加载条件，很难模拟基坑真实受力和变形情况，具有很大的局限性；而现场模拟试验由于场地和试验周期原因，一般也很少被采用；FLAC 3D数值模拟操作简便，效果可靠，可以模拟不同的工况下基坑自身和支护结构的受力及变形规律，根据实际工程条件选用合理模型，根据地勘资料筛选合理工程参数进行数值模拟，可以得出具有工程指导意义的结论和建议。
本文针对某个复合土钉深基坑工程实例，选用FLAC 3D数值模拟的方法对分步开挖、支护下基坑水平、垂直位移进行分析，得出基坑在分步开挖、支护情况下的位移发展趋势，从而可以安全有效的指导基坑设计和施工，达到安全、经济、可靠的目的。
1 建立模型并分步开挖、支护
某基坑工程，按照基坑设计文件，开挖土石方工程量约计：75 m×60 m×10 m=45 000 m3，基坑施工工期50 d，采用复合土钉支护。采用Mohr-Coulomb模型进行模拟计算，假设基坑变形为大变形。基坑模型影响范围为：水平方向为5倍基坑深度，高度方向为2倍开挖深度，基坑周围近距离较为空旷，基坑受力及变形情况相对于基坑中心线呈对称分布，由此可取1/4基坑开挖部分作为研究模型，为95 m×75 m×22 m，开挖区域进行了加密划分单元，地下止水帷幕范围单独划分单元；采用桩结构单元（pile单元）模拟微型钢管桩；基坑周边搅拌桩止水帷幕视为一定厚度、高强度、不透水的地下连续墙；采用衬砌结构单元（liner单元）模拟钢筋网；采用锚索结构单元（Cable单元）模拟土钉。
所建模型的边界条件定为：在对称面上约束两法向变形，底面及剩余两侧面设为固定端，模型上表面为自由端，假设基坑模型变形模式为大变形。基坑坑内、坑外水位人工降至基坑底板下一定深度处，且待土体固结沉降趋于稳定后进行基坑开挖和支护，故进行数值模拟分析时可不考虑地下水作用。根据基坑6部开挖、支护方案，依次进行模拟，第一部和第六部开挖深度为2.5 m，中间四部开挖深度为1.5 m，每部开挖之后均采用复合土钉进行支护。在模型中选取若干特征点作为基坑变形趋势观测点。基坑模型开挖、支护情况和特征点选取位置详见图1。
2 数值模拟结果分析
2.1 复合土钉支护下地表沉降分析
经过数值模拟得出基坑在分步开挖、支护情况下坑外地面沉降量值，其变形规律见图2，统计发现，坑外距离搅拌桩10.2 m处取得最大沉降值（23.927 mm），此值于第六步开挖后出现；分别在距搅拌桩0 m、2.5 m、6.5 m、12.5 m、20.5 m处埋设沉降监测点并实时观测，地表沉降实际变形规律见图3，统计发现，坑外距离搅拌桩6.1m处取得最大沉降值（20.799 mm），此值于第六步开挖后出现。对比数值模拟结果和沉降观测数据可以发现最大地表沉降模拟值和实际观测数据相差约3.15 mm，可认为模拟结果能被接受。
从模拟的结果中可以得出以下推论：
①随着基坑不断开挖加深，坑外地面沉降值也不断增大，地表最大沉降点逐渐远离基坑向外发展。
②距离搅拌桩较近位置地面沉降较小，随着距离增大，地面沉降逐渐加大，在某一点处取得最大值后又逐渐减小，其变形规律表现为一个“凹”形沉降槽；究其原因，搅拌桩周围土体受到刚度较大的桩体支撑以及二者之间形成桩土摩擦效应，从而导致庄周地面沉降较小。
③各开挖步骤所导致的地面沉降曲线形状类似。其中地表最大沉降值出现在最后一步开挖之后。
④基坑开挖引起的地面沉降的影响范围约为两倍开挖深度，其中一倍开挖深度范围内的沉降量较大。
2.2 复合土钉支护下坑底垂直位移分析
坑底位移云图如图4所示。观察分析图4，作出以下总结：
①坑壁和坑底交界处基坑回弹值较小，距离坑壁越远，坑底回弹值越大。回弹增速刚开始较快，之后逐渐变慢，最后回弹量趋于平稳。
②随着基坑不断开挖，坑底回弹量呈现不断增大趋势，开挖深度越大，回弹量越大，两者呈现正相关关系。
③各开挖步骤所导致的坑底回弹曲线形状类似。两倍开挖深度范围内变化速度最快，最大回弹值出现在坑底中部。
由于土体的自立性较差，基坑开挖前，土体在原始地应力下稳定，分步开挖后坑壁、坑体土体卸荷导致坑壁土体向临空面移动产生变形，从而致使坑底土体回弹隆起。在实际基坑开挖过程中，开挖过程中回弹明显，且伴随开挖回弹值急剧加快，当开挖结束完成支护后，坑壁土体受到较大约束，回弹值明显减小，基坑变形趋于稳定。伴随开挖深度不断加大，坑底回弹值逐渐加大，其变化呈现为“S”形曲线，该曲线拐点出现于开挖深度约7.0 m处，开挖深度小于7.0 m时坑底回弹曲线较缓和，超过7.0 m后，回弹隆起速率相应加快。
2.3 复合土钉支护下基坑侧壁水平位移分析 在基坑壁后土压力作用下，坑壁产生水平位移。本基坑工程在坑壁桩顶埋设有水平位移观测点，基坑分步开挖引发的的桩顶水平位移监测值与数值模拟结果见图5。经对比发现，二者区别不大。
观察分析图5、6可得，桩顶水平位移较小，符合规范要求。究其原因是土钉、桩体的水平锚固作用，从而致使土体抗剪强度增大，有效地限制了土体向临空方向的变形。伴随基坑不断开挖，桩体上部逐渐向临空面移动，其水平位移随着开挖深度增大而逐渐增加，在基坑稳定范围内，增大速率比较稳定，两者基本呈现正相关关系。当开挖深度继续增加时，桩顶水平位移的变化速率有所增大。
基坑分步开挖下侧壁水平位移的数值模拟结果参见图6，最大侧壁水平位移值为16.851 mm，于第六次开挖后在基坑深度6 m处取得。
分析图6，可得出如下结论：
①伴随基坑开挖，坑壁向基坑临空面移动，开挖深度越大，水平位移增加速率越快。
②采用复合土钉支护基坑，坑壁发生最大水平位移处位于坑体开挖深度的中部偏下位置，该位置随着基坑不断开挖逐渐向下部移动。
③坑壁的水平位移曲线向临空面凸起，在开挖深度方向上水平位移逐渐增大，增至最大值之后又逐渐减小。
2.4 复合土钉支护位移综合分析
对复合土钉支护下的地表沉降结果、坑底垂直位移、基坑侧壁水平位移结果进行综合分析。
首先，基坑侧壁位移导致壁后土体同时产生位移，位于坑壁外主动土压力区土体向基坑临空方向产生变形，导致坑壁背后的土体水平应力降低，土体剪切应力逐渐增大，从而在土体中形成塑性区。
其次，坑底临空面以下壁后被动土压力区的土体向坑内临空面产生水平位移，导致基坑底部土体水平应力加大，从而使得坑底土体剪应力增大发生水平向挤压，同时由于土体的卸荷，从而引起坑底土体向上回弹隆起，在坑底处形成局部塑性区。
最后，随着主动土压力区土体向坑内发生位移，侧壁外侧土体的塑性区也在逐渐扩大，从而引起侧壁外侧的地表沉降。
因此可以推断侧壁的变形是周围地层移动的重要原因，如何控制好侧壁的位移是基坑工程设计与施工需要解决的重要问题之一。
参考文献：
[1] YU Zhicheng， SHI Wenhua.Supporting designation and construction of deep foundation pit[M].Beijing： China architecture and industry press，2002.
[2] Jewell R.A.，Pedley M.J..Soil nailing design：the role of bending stiffness[J].Ground Engineering，1990，（10）.
[3] 王广国，杜明芳，侯学渊.深基坑大变形分析[J].岩石力学与工程学报，2000，19（4）.
[4] 李志刚，秦世青，张炳峰.土钉支护的现场检测及数值模拟方法[J].工程技术学报，2004，12（1）.
关键词：复合土钉；深基坑支护；基坑变形；FLAC 3D；数值模拟
中图分类号：TU476 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）35-0144-02
复合土钉作为基坑边坡支护的一种施工工艺，施工工艺简单，支护效果可靠，且不占据基坑作业空间，该项技术在多地基坑支护中得到广泛应用，被视为一种深基坑支护的常用施工方法。目前复合土钉墙施工工艺较为成熟，但是针对其支护原理、支护效果的理论研究相对落后，基坑分布开挖支护情况下土体受力特征、基坑变形规律及各影响因子相互关系亟需理论研究，基坑开挖支护模拟试验由于受到时空限制和加载条件，很难模拟基坑真实受力和变形情况，具有很大的局限性；而现场模拟试验由于场地和试验周期原因，一般也很少被采用；FLAC 3D数值模拟操作简便，效果可靠，可以模拟不同的工况下基坑自身和支护结构的受力及变形规律，根据实际工程条件选用合理模型，根据地勘资料筛选合理工程参数进行数值模拟，可以得出具有工程指导意义的结论和建议。
本文针对某个复合土钉深基坑工程实例，选用FLAC 3D数值模拟的方法对分步开挖、支护下基坑水平、垂直位移进行分析，得出基坑在分步开挖、支护情况下的位移发展趋势，从而可以安全有效的指导基坑设计和施工，达到安全、经济、可靠的目的。
1 建立模型并分步开挖、支护
某基坑工程，按照基坑设计文件，开挖土石方工程量约计：75 m×60 m×10 m=45 000 m3，基坑施工工期50 d，采用复合土钉支护。采用Mohr-Coulomb模型进行模拟计算，假设基坑变形为大变形。基坑模型影响范围为：水平方向为5倍基坑深度，高度方向为2倍开挖深度，基坑周围近距离较为空旷，基坑受力及变形情况相对于基坑中心线呈对称分布，由此可取1/4基坑开挖部分作为研究模型，为95 m×75 m×22 m，开挖区域进行了加密划分单元，地下止水帷幕范围单独划分单元；采用桩结构单元（pile单元）模拟微型钢管桩；基坑周边搅拌桩止水帷幕视为一定厚度、高强度、不透水的地下连续墙；采用衬砌结构单元（liner单元）模拟钢筋网；采用锚索结构单元（Cable单元）模拟土钉。
所建模型的边界条件定为：在对称面上约束两法向变形，底面及剩余两侧面设为固定端，模型上表面为自由端，假设基坑模型变形模式为大变形。基坑坑内、坑外水位人工降至基坑底板下一定深度处，且待土体固结沉降趋于稳定后进行基坑开挖和支护，故进行数值模拟分析时可不考虑地下水作用。根据基坑6部开挖、支护方案，依次进行模拟，第一部和第六部开挖深度为2.5 m，中间四部开挖深度为1.5 m，每部开挖之后均采用复合土钉进行支护。在模型中选取若干特征点作为基坑变形趋势观测点。基坑模型开挖、支护情况和特征点选取位置详见图1。
2 数值模拟结果分析
2.1 复合土钉支护下地表沉降分析
经过数值模拟得出基坑在分步开挖、支护情况下坑外地面沉降量值，其变形规律见图2，统计发现，坑外距离搅拌桩10.2 m处取得最大沉降值（23.927 mm），此值于第六步开挖后出现；分别在距搅拌桩0 m、2.5 m、6.5 m、12.5 m、20.5 m处埋设沉降监测点并实时观测，地表沉降实际变形规律见图3，统计发现，坑外距离搅拌桩6.1m处取得最大沉降值（20.799 mm），此值于第六步开挖后出现。对比数值模拟结果和沉降观测数据可以发现最大地表沉降模拟值和实际观测数据相差约3.15 mm，可认为模拟结果能被接受。
从模拟的结果中可以得出以下推论：
①随着基坑不断开挖加深，坑外地面沉降值也不断增大，地表最大沉降点逐渐远离基坑向外发展。
②距离搅拌桩较近位置地面沉降较小，随着距离增大，地面沉降逐渐加大，在某一点处取得最大值后又逐渐减小，其变形规律表现为一个“凹”形沉降槽；究其原因，搅拌桩周围土体受到刚度较大的桩体支撑以及二者之间形成桩土摩擦效应，从而导致庄周地面沉降较小。
③各开挖步骤所导致的地面沉降曲线形状类似。其中地表最大沉降值出现在最后一步开挖之后。
④基坑开挖引起的地面沉降的影响范围约为两倍开挖深度，其中一倍开挖深度范围内的沉降量较大。
2.2 复合土钉支护下坑底垂直位移分析
坑底位移云图如图4所示。观察分析图4，作出以下总结：
①坑壁和坑底交界处基坑回弹值较小，距离坑壁越远，坑底回弹值越大。回弹增速刚开始较快，之后逐渐变慢，最后回弹量趋于平稳。
②随着基坑不断开挖，坑底回弹量呈现不断增大趋势，开挖深度越大，回弹量越大，两者呈现正相关关系。
③各开挖步骤所导致的坑底回弹曲线形状类似。两倍开挖深度范围内变化速度最快，最大回弹值出现在坑底中部。
由于土体的自立性较差，基坑开挖前，土体在原始地应力下稳定，分步开挖后坑壁、坑体土体卸荷导致坑壁土体向临空面移动产生变形，从而致使坑底土体回弹隆起。在实际基坑开挖过程中，开挖过程中回弹明显，且伴随开挖回弹值急剧加快，当开挖结束完成支护后，坑壁土体受到较大约束，回弹值明显减小，基坑变形趋于稳定。伴随开挖深度不断加大，坑底回弹值逐渐加大，其变化呈现为“S”形曲线，该曲线拐点出现于开挖深度约7.0 m处，开挖深度小于7.0 m时坑底回弹曲线较缓和，超过7.0 m后，回弹隆起速率相应加快。
2.3 复合土钉支护下基坑侧壁水平位移分析 在基坑壁后土压力作用下，坑壁产生水平位移。本基坑工程在坑壁桩顶埋设有水平位移观测点，基坑分步开挖引发的的桩顶水平位移监测值与数值模拟结果见图5。经对比发现，二者区别不大。
观察分析图5、6可得，桩顶水平位移较小，符合规范要求。究其原因是土钉、桩体的水平锚固作用，从而致使土体抗剪强度增大，有效地限制了土体向临空方向的变形。伴随基坑不断开挖，桩体上部逐渐向临空面移动，其水平位移随着开挖深度增大而逐渐增加，在基坑稳定范围内，增大速率比较稳定，两者基本呈现正相关关系。当开挖深度继续增加时，桩顶水平位移的变化速率有所增大。
基坑分步开挖下侧壁水平位移的数值模拟结果参见图6，最大侧壁水平位移值为16.851 mm，于第六次开挖后在基坑深度6 m处取得。
分析图6，可得出如下结论：
①伴随基坑开挖，坑壁向基坑临空面移动，开挖深度越大，水平位移增加速率越快。
②采用复合土钉支护基坑，坑壁发生最大水平位移处位于坑体开挖深度的中部偏下位置，该位置随着基坑不断开挖逐渐向下部移动。
③坑壁的水平位移曲线向临空面凸起，在开挖深度方向上水平位移逐渐增大，增至最大值之后又逐渐减小。
2.4 复合土钉支护位移综合分析
对复合土钉支护下的地表沉降结果、坑底垂直位移、基坑侧壁水平位移结果进行综合分析。
首先，基坑侧壁位移导致壁后土体同时产生位移，位于坑壁外主动土压力区土体向基坑临空方向产生变形，导致坑壁背后的土体水平应力降低，土体剪切应力逐渐增大，从而在土体中形成塑性区。
其次，坑底临空面以下壁后被动土压力区的土体向坑内临空面产生水平位移，导致基坑底部土体水平应力加大，从而使得坑底土体剪应力增大发生水平向挤压，同时由于土体的卸荷，从而引起坑底土体向上回弹隆起，在坑底处形成局部塑性区。
最后，随着主动土压力区土体向坑内发生位移，侧壁外侧土体的塑性区也在逐渐扩大，从而引起侧壁外侧的地表沉降。
因此可以推断侧壁的变形是周围地层移动的重要原因，如何控制好侧壁的位移是基坑工程设计与施工需要解决的重要问题之一。
参考文献：
[1] YU Zhicheng， SHI Wenhua.Supporting designation and construction of deep foundation pit[M].Beijing： China architecture and industry press，2002.
[2] Jewell R.A.，Pedley M.J..Soil nailing design：the role of bending stiffness[J].Ground Engineering，1990，（10）.
[3] 王广国，杜明芳，侯学渊.深基坑大变形分析[J].岩石力学与工程学报，2000，19（4）.
[4] 李志刚，秦世青，张炳峰.土钉支护的现场检测及数值模拟方法[J].工程技术学报，2004，12（1）.