万达广场深基坑开挖模拟与支护设计(基于flac3D)

本科生毕业论文（设计）

题 目 ：基于flac3D深基坑开挖模拟与支护设计

指导教师: 职称: 评 阅 人: 职称:

摘 要

随着城市化过程中不断涌现的高层建筑和超高层建筑以及城市地下空间的开发，深基坑工程越来越多，深基坑工程项目的规模和复杂性日益增大，给深基坑工程的设计和施工带来了更大的挑战。在这样的背景下，深基坑支护结构设计和变形量预测已成为岩土工程领域的重要研究课题之一。本文以武汉市万达广场深基坑工程作为研究对象，利用勘查资料和深基坑支护结构设计要求，比选合理的基坑支护方案并进行相应的计算设计。同时，本文针对深基坑工程变形量验算等难以解决的问题引用了flac3D数值模拟方法，对基坑开挖、支护结构施工进行全方位的模拟监测，将计算设计结果和模拟计算结果进行对比验算，得出比较合理的支护结构设计方案和变形量控制方案。

根据基坑实际情况和勘查资料，本文选择的围护方案为以大直径混凝土排桩、双排桩、角撑与对顶撑相结合的内支撑为主的多种联合支护方案，结合坡顶大面积卸土减载、坑内被动区加固的措施。计算部分主要设计计算大直径混凝土排桩（钻孔灌注桩）桩长、内力和配筋，而对卸土减载、内支撑结构、坑内被动区加固和降水设计只进行了简要的说明；flac3D模拟部分主要从建立模型、设置大直径混凝土排桩、放坡开挖、放坡坡面土钉施工、预应力锚索（代替内支撑）施工和基坑主体开挖为顺序进行建模计算，最后进行变形量监测、分析，输出桩单元、锚单元的内力分布情况并给出相应的结论与建议。

本文以常规计算和数值模拟相结合的方式进行参考对比，常规计算和数值模拟分析结果非常接近，给出了有效合理的安全系数。

关键词：深基坑 支护设计 flac3D模拟 数值模拟

Abstract

With the urbanization process ,high-rise buildings and supertall buildings are continuously emerging .As a result ,underground space development project and deep excavation project become more and more. At the same time, the scale and complexity of deep excavation increasing bigger. they make the design and construction of deep excavation to face greater challenges. So structural design and deformation prediction of deep excavation has become an important research issue in the field of geotechnical engineering. In this paper, the deep excavation of Wanda Plaza, Wuhan is studied. And using survey data and structural design of deep excavation requirements to select reasonable foundation pit ,then to conduct the corresponding design. The meantime, as checking the deformation of deep excavation is a difficult problems ,it uses flac3D numerical simulation method to monitor the progress of deep pit’s excavation, construction .Then comparing the design results of the calculation and simulation results to obtained reasonable support structure design and control program of deformation.

According to the actual situation and exploration data, the envelope of large diameter piles concrete piles, angle brace and top brace on the combination of a variety of internal support-based programs are selected, combined with slope Top large dump load shedding and the reinforcement measures of pit passive zone.

1) The calculation part of the paper mainly introduce the design and calculation of large diameter concrete piles or bored pile, and the rest just briefly introduce the dumping load shedding, internal support structure, the pit design of passive zone strengthening and precipitation.

2) With flac3D, successively study the model building, setting large diameter concrete piles, sloping excavation, soil nailing construction, pre-stressed cable (instead of internal support) construction and excavation for the foundation pit .Finally, conduct the deformation monitoring , output pile element, the internal force distribution analysis in anchorage unit .And then, provide the corresponding conclusions and recommendations.

In this paper, conventional calculations and numerical simulation methods are used. And their results were very close. So it can give an effective and reasonable safety factor through the combination of these methods.

Key words: deep excavation design flac3D numerical simulation

目 录

第一章 绪论 ................................................................................................................................... 1

第一节 选题思路 ........................................................................................................... 1 第二节 设计流程 ........................................................................................................... 1

第二章 工程概况及场地工程地质条件 ....................................................................................... 3

第一节 工程概况 ......................................................................................................... 3 第二节 场地工程地质条件 ........................................................................................... 4

第三章 A-OPQRSA段基坑支护结构设计 ................................................................................... 10

第一节 设计依据 ....................................................................................................... 10 第二节 设计参数 ....................................................................................................... 10 第三节 A-OPQRSA段基坑支护方案选择 ................................................................ 11 第四节 A-OPQRSA段基坑减载放坡设计 ................................................................ 13 第五节 A-OPQRSA段基坑支护桩设计 .................................................................... 13 第六节 A-OPQRSA段基坑地下水控制方案设计 .................................................... 25

第四章 基于flac3D基坑开挖模拟分析 ..................................................................................... 28

第一节 关于flac3D的概述 ......................................................................................... 28 第二节 基坑维护方案 ................................................................................................. 28 第三节 计算模型及参数 ............................................................................................. 29 第四节 初始应力计算 ................................................................................................. 30 第五节 支护桩施工 ..................................................................................................... 32 第六节 模拟分层开挖和设定锚杆 ............................................................................. 33 第七节 设置采样记录变量 ......................................................................................... 35 第八节 计算结果分析 ................................................................................................. 36

第五章 结论与问题 ..................................................................................................................... 45

第一节 结论 ................................................................................................................. 45 第二节 设计过程中存在问题 ..................................................................................... 46

致谢 ............................................................................................................................................... 47 参考文献 ....................................................................................................................................... 48 附录 ............................................................................................................................................... 49

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第一章 绪论

第一节 选题思路

深基坑工程设计是当今岩土工程界关注的热点话题，深基坑工程的难题在于对变形量的预测，基坑允许的变形、垂直位移的计算是比建筑物自身允许的沉降和沉降计算更为复杂的课题，但又是基坑工程尤其是在软土地区和工程地质、水文地质复杂地区无法回避的问题。传统的基坑设计以考虑稳定性为主，极少涉及基坑的变形计算，主要是由于基坑工程设计计算方法和计算手段不成熟。但是随着近几年来大型市政工程建设的进展，基坑环境保护问题日益突出，对基坑变形的控制越来越严格，从而引发了新一轮基坑工程设计理论的革命——从强度控制向变形控制的转变。正是在这样的大背景下计算机技术在岩土工程界也得到了广泛的应用，直到现在国内外关于岩土工程的计算机软件非常多，每个软件都尤其独特的优势和使用条件，在众多的岩土工程软件中由美国ITASCA咨询公司开发的flac3d三维快速拉格朗日分析程序在分析大变形问题方面具有独特的优势。软件体提供了针对岩土体和支护体系的各种本构模型和结构单元更是突出了flac的“专业”特性，因此在国际岩土工程界非常流行，近年来，在国内flac应用也日渐广泛拥有越来越多的用户群。

本文设计基坑为武汉是万达广场深基坑工程，基坑工程开挖深10余米，而且场地工程地质条件和水文地质条件非差特殊，存在10几米的软塑—流塑粘土、淤泥质粘土，基坑变形预测及计算是基坑设计不可回避的问题。因此，在常规的极限平衡法设计基坑支护体系的基础上采用flac建立三维模拟计算，通过两种方法的分析对比，监测基坑变形，检查设计支护体系的工作性状和深基坑的安全稳定性系数。本文首先通过极限平衡法设计求出支护桩桩长、最大弯矩、配筋等，然后通过计算提供的支护桩桩长建立flac计算模型，然后模拟放坡开挖，进行坡面土钉开挖，最后进行基坑主体开挖继而进行后处理分析，得出结论。

第二节 设计流程

本文设计方法采用极限平衡法和数值模拟相结合的方式进行设计分析，首先根据场地勘查报告、基坑设计说明书并且结合场地实际情况比选出适合的支护体系方案，然后利用极限平衡法对支护方案进行设计。在以上的基础上，根据场地土体的物理、力学性质及土层的分布情况，利用flac3d创建计算模型，通过设置位移、地下水、重力、外荷载等边界条件，初始平衡模拟开挖前场地土体状态，然后设置结构单元（桩单元、预应力锚杆单元、土钉单元）模拟开挖计算，得到位移变形云图、应力云图、结构单元内力图等资料。最后对比分析两种方法计算结果，综合提出合理的结论与建议。本文的设计流程图如下：

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双排防渗帷幕

勘查资料 设计说明 Flac模拟 比选支护体系方案 建立分析模型 放坡减载 大直径排桩 内支撑 进入初始平衡 土钉加固 土压力计算 对比 土压力计算 确定排桩桩长 建立结构单元 计算内支撑力 桩 土钉 锚杆（代替内支撑） 确定最大弯矩 对比 桩内力计算 计算 对比 锚杆内力计算 变形量验算 图1 设计流程图

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第二章 工程概况及场地工程地质条件

第一节 工程概况

武汉万达广场投资有限公司拟在汉口新华西路附近兴建武汉新华西路万达广场工程。场地位于武汉市江汉区，地块范围东临新华下路，西邻新华西路，南侧为规划道路、武汉新闻出版局，北侧为马场公寓、菱湖上品项目。

本场地基坑分为A、B基坑两块，总占地面积约57000m2。A基坑为大商业部分，其地下二层主楼的承台底标高-12.6m（电梯井-15.0m），商业部分底标高-12.4m(电梯井-13.5m)；B基坑为住宅部分，其主楼承台底标高-11.25m，分布于基坑四周。大商业部分（A基坑）的地下室层高：地下一层5.5米，地下二层4.8米；住宅部分（B基坑）地下室层高：地下一层与地下二层均为3.8米。

本项目设计±0.00=22.00m，地下室分为A区、B区。A、B基坑呈“吕”字型分布，在中间部分设连通地道2处，场地地面标高依据勘察报告中钻孔标高，坑底标高按地下室结构图纸基础承台或基础梁底标高取值，垫层厚按100mm考虑。各段设计开挖深度详见表1-1

表1-1基坑设计开挖深度设计参数一览表

段号 A-AB A-BCD A-DEF A-FG A-GH A-HI A-IJ A-JK A-KL A-LM A-MO A-OPQ 地面标高坑底标高开挖深度段号 （m） （m） （m） 20.90 20.90 20.90 20.60 20.60 20.60 20.60 20.60 20.60 20.60 20.60 20.70 9.90 9.90 9.90 9.60 11.50 9.90 9.90 9.10 9.90 9.30 9.90 9.90 11.00 11.00 11.00 11.00 9.10 10.70 10.70 11.50 10.70 11.30 10.70 10.80 A-QR A-RSA B-MNAB B-BC B-CD B-DE B-EF B-FG B-GHIJ B-JKLL’ B-L’M 地面标高坑底标高开挖深度 （m） （m） （m） 20.70 20.70 21.00 20.50 20.80 20.80 20.90 20.90 20.90 20.90 20.90 9.30 9.90 10.80 10.80 10.80 10.80 10.80 10.80 10.80 10.80 10.80 11.40 10.80 10.20 9.70 10.00 10.00 10.10 10.10 10.10 10.10 10.10

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第二节 场地工程地质条件

2.2.1 基坑周边环境

基坑紧邻新华西路、新华下路，地下管网密集，北侧紧邻十九中、马场公寓，东侧紧邻菱湖上品，周边环境复杂。

场地周边已有建筑物距基坑一般均在25m以上（仅局部少量地段为14m左右）；根据资料显示，场地内无重要的管线工程分布。 2.2.2场地地形地貌

拟建场地位于汉口新华西路，场地平面大致呈不规则矩形，东北侧为马场公寓，西北侧为日月华庭小区和第十九中，西南侧为新华西路，南侧为规划道路。原始地貌属长江冲积一级阶地，原为华南果品批发市场、汽车修理厂、居民居住区，现场地基本已拆迁整平，地势平缓，地面标高在19.84～22.31m之间变化。

2.2.3 场区地层概况

根据勘察钻探揭露深度范围内，场地岩土层自上而下主要由五个单元层组成，从成因上看，（1）单元层为新近填土和淤泥层；（2）单元层属第四系全新统冲积（Q4al）一般粘性土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土夹粉土层；（3）单元层为第四系全新统冲积（Q4al）粉土夹粉砂、粉质粘土层；（4）单元层属第四系全新统冲积（Q4al）砂土、砂、砾胶结层；（5）、（6）单元为白垩—下第三系的强～中风化泥质粉砂岩或粉砂质泥岩、砂砾岩。

根据各岩土（砂）层力学性质上的差异，可将场区地基岩土进一步细划为若干亚层。具体的分布埋藏条件、野外鉴别特征列于表2-1。通过室内试验得出地基土层主要物理、力学指标，分层统计见表2-1.

对场地各岩土层的岩性描述及物理力学性质指标统计结果可以看出，拟建场区填土层以下地层为武汉地区典型的长江冲积一级阶地二元结构地层，颗粒粒径从上至下由细变粗，力学性质亦随深度增加而变好。从工程性质来看，浅部的填土层及（2）单元层力学强度均不高，不能满足拟建高层建筑物荷载要求；下部（4-2）、（4-3）层细砂层密实度好、强度高，是拟建多层裙楼、商铺、地下室、售楼部较理想的桩基持力层；基岩中风化埋深稳定，宜作为26～33层高层建筑桩基持力层使用。

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表2-1 场地地基岩土野外鉴别特征表

地层编号 及 岩土名称 年代 层厚 颜色 成因 (m) ml 状态 湿度 包含物及特征 分布整个场地，主要由建筑垃圾、混凝土地坪及一般粘性土组成，近期堆填，结构杂乱。 分布于少部分地段（原湖塘底），含少量螺壳、腐殖物、有机质，有臭味。 场地内大部分地段分布，含铁锰氧化物、灰色粘土矿物条纹。 分布于整个场地，含少量螺壳、腐殖物、有机质，局部夹粉质粘土、粉土粉砂。 场地内部分地段分布，含铁锰氧化物、灰色粘土矿物条纹及少量有机质，夹粉土薄层。 场地内部分地段分布，含铁质氧化物和云母片。 含云母、石英等矿物。场区内部分地段分布，层面有一定起伏。 以透镜体形式分布于（4-1）层中，细层理清晰。 含云母、石英等矿物。场区内均有分布，层面埋深较稳定。 个别孔区分布，以透镜体形式分布于（4-2）层中，细层理清晰。 含云母、石英，局部夹小砾石，该层场区内均有分布，层面埋深较稳定。 大部分孔区分布，以透镜体形式分布于（4-3）层中，细层理清晰。分布无规律。 含石英、云母，砾卵石大小1-8cm，含量5-20%，场区大部分地段分布。 场区部分地段分布，胶结程度差，为未成岩～半成岩状，钻探取样大部分为碎石、块石。 基本风化成砂土状，内夹少量尚未完全风化岩块，手可捏碎。 岩芯呈柱状，裂隙发育，岩石呈块状构造，含砂—泥状结构，场区大部分地段揭露。取芯率70～80%，RQD指标70%。综合评定岩体基本质量等级为Ⅴ级，属极软岩。 0.5(1)杂填土 Q～杂 松散～稍密 湿 4.4 0.3l (1-2)淤泥 Q～灰黑 流塑 饱和 3.3 0.5褐黄～al (2-1)粘土 Q4～软～流塑 饱和 黄褐 2.7 5.8(2-2)淤泥质粉质alQ4 ～褐灰 稍密～中密 饱和 粘土 17.5 0.8(2-3)粉质粘土混alQ4 ～褐灰 软～可塑 饱和 粉土 6.6 0.8(3)粉土夹粉砂、alQ4 ～褐灰 中密 饱和 粉质粘土 5.5 0.8al(4-1)粉砂 Q4 ～灰 松散～稍密 饱和 9.5 0.4(4-1a)粉质粘土alQ4 ～灰 可塑 饱和 夹粉土 3.6 0.5中密 al(4-2)粉细砂 Q4 ～灰色 饱和 （局部密实） 13.2 (4-2a)粉质粘土2～alQ4 灰色 可塑 饱和 夹粉土 3.3 0.2al(4-3)粉细砂 Q4 ～灰色 密实 饱和 14.4 0.4(4-3a)粉质粘土alQ4 ～灰色 可塑 饱和 夹粉土 5.2 0.2(4-4)中粗砂混al+plQ4 ～杂色 密实 饱和 砾卵石 2.9 0.6(4-5)砂、砾胶al+plQ4 ～杂色 密实 干 结层 6.5 0.5(5-1)强风化泥质粉砂岩、粉砂K-E ～灰 硬 干 质泥岩 2.3 (5-2)中风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩 K-E 未揭灰～ 穿 紫红 坚硬 干 5

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未揭灰～ 穿 杂色 岩芯呈柱状，砾石直径1-10cm，综合评定岩体基本质量等级为Ⅴ级，属软岩。 （6）砂砾岩 K-E 坚硬 干 6

地层编号 及 岩土名称 天然 含水重度 项目 量 w % γ kN/m 3天然孔隙比 e 液限 塑性 液性 压缩 指指数 系数 数 Ip IL a1-2 MPa -1快剪 压缩模量 Es MPa 三轴剪(UU) 内摩 擦角 φ 度 粘内摩 粘聚聚擦角 力 力 c kPa φ 度 c kPa 静止侧无侧限有机质垂直渗透抗压强灵敏度 压力系含量 系数 数 度 q0 kPa wL % st K0 Wu kh ×10-8cm/s % n (2-1) max 粘土 min μ n (2-2) max 淤泥质 min 粉质粘土 μ n (2-3) max 粉质粘土 min 混粉土 μ (3) n 粉土夹粉砂、max min 粉质粘土 μ (粉质粘土) (4-1a) n 粉质粘土 max min 夹粉土 μ (粉质粘土) (4-2a) n 粉质粘土 max min 夹粉土 μ (粉质粘土) 24 42.9 28.5 36.2 197 59.2 32.3 43.4 13 52.2 30.4 40.8 2 47.5 35.4 41.5 5 41.2 32.0 38.2 1 38.4 38.4 38.4 24 18.6 16.8 17.9 197 18.5 15.6 17.0 13 18.1 16.0 17.1 2 17.0 16.3 16.6 5 18.1 17.3 17.6 1 17.4 17.4 17.4 24 1.290 0.840 1.042 197 1.711 0.918 1.270 13 1.558 0.949 1.203 2 1.435 1.129 1.282 5 1.198 0.951 1.107 1 1.127 1.127 1.127 24 57.8 35.8 46.0 197 67.7 30.1 41.5 13 55.3 32.1 41.9 2 49.8 36.1 43.0 5 43.3 33.9 39.4 1 31.6 31.6 31.6 20 25.2 14.1 19.7 171 22.4 9.8 16.0 9 19.4 10.5 15.1 2 19.7 12.8 16.3 5 18.2 11.6 15.0 1 10.3 10.3 10.3 19 0.80 0.30 0.52 197 2.02 0.51 1.15 13 1.42 0.76 0.95 2 0.95 0.88 0.92 5 1.12 0.77 0.93 1 1.66 1.66 1.66 22 0.68 0.29 0.49 181 1.40 0.41 0.80 13 1.14 0.22 0.61 2 0.80 0.62 0.71 5 0.76 0.47 0.59 1 0.42 0.42 0.42 22 6.7 3.2 4.4 181 4.8 1.8 3.0 13 9.0 2.3 4.3 2 3.5 3.0 3.3 5 4.6 2.9 3.7 1 5.0 5.0 5.0 9 32 13 21 39 12 4 8 3 32 4 15 1 15 15 15 3 22 6 14 1 17 17 17 9 13 5 9 39 9 3 6 3 17 8 13 1 6 6 6 3 20 7 14 1 4 4 4 3 59 17 34 26 29 11 16 3 19 12 15 3 4 1 2 22 2 1 1 3 2 1 1 1 70.8 70.8 70.8 8 81.50 48.60 62.91 1 1.5 1.5 1.5 6 3.6 1.8 2.6 4 0.79 0.52 0.62 2 0.60 0.49 0.55 2 4.7 3.1 3.9 21 7.9 3.1 5.2 10 13.0 5.3 10.0 表2-2 地基土层主要物理、力学指标分层统计表

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2.2.4 场地水文地质条件

场区内地下水类型主要为上层滞水和第四系孔隙承压水。上层滞水主要赋存于第（1）层杂填土中，受地表水源、大气降水和生活用水补给，无统一的自由水面，水位及水量受地表水源、大气降水和生活用水排放量的影响而波动。第四系孔隙承压水主要赋存于下部砂性土层中，主要接受侧向补给，与长江存在较密切水力联系，呈互补关系。根据场地勘察报告，含水层综合渗透系数K平均值18.0m/d，影响半径460m（设计时取250m）。孔隙承压水位年变幅为3~4米，在丰水期承压水位标高约为20.0m。

本基坑开挖深度介于9.0~13.0m之间，局部电梯井开挖深度达15.0m，已揭露（3）层粉土夹粉砂、粉质粘土或（4-1）层粉砂含水层，因此本基坑必需进行降水设计。 2.2.5 场地地震效应

根据湖北省建设厅《关于确定我省主要城镇抗震设防烈度、设计基本地震加速度值和设计地震分组的通知》（鄂建文[2001]357号）的规定，武汉地区地震基本烈度为6度，新建工程必须进行抗震设防。武汉市抗震分组均为第一组，拟建项目可按6度地震烈度进行设防，地震设计加速度为0.05g，并且可不考虑饱和粉土、砂土的液化问题。

为判定场地土类型及建筑场地类别，在K1、K32、K134号钻孔内及附近区域进行了剪切波速测试及地面脉动测试，根据剪切波速测试结果，场区地表下20.0m深度范围地基土的等效剪切波速Vse=144.8～152.3m/s，按《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第4.1.3条判定，本场地属中软场地土。本次勘察资料显示，拟建场区基岩埋深在41.5～51.5m左右，根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第4.1.6条判定，基岩埋深在3~50m之间属Ⅱ类建筑场地，基岩埋深>50m属Ⅲ类建筑场地。本场地仅4#楼30#、31#、32#孔地段属Ⅲ类建筑场地，其余地段均属Ⅱ类建筑场地。拟建场区设计基本地震加速度值0.05g，设计地震分组第一组。结合场区地基土成因、岩性及分布条件等综合判定，本场区属可进行建设的一般场地。

2.2.6 场地岩土工程评价

2.6.1 地基土建筑性能评价

第（1）单元层为人工填土和淤泥，成份杂乱，结构松软，均匀性差，强度低，不能作为拟建建筑物基础持力层使用。该层土是组成基槽侧壁土体的主要土层，由于其渗透性较好，层中赋存一定量上层滞水，且其自稳性能差，对基槽开挖支护不利。

第（2）单元层承载力特征值相对较低，其力学强度不能满足拟建建筑荷载要求，不能作为桩基持力层使用。其中（2-2）淤泥质粉质粘土埋藏较浅，厚度大，力学性能极差，具触变性，基础施工及基槽开挖时应引起重视。

第（3）单元层为上部粘性土与下部砂土层之间的过渡层，均匀性差，赋存弱承压水，可为桩基提供一定的摩阻力。

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第（4）单元层中，（4-1）层粉砂呈松散～稍密状态，均匀性稍差，力学性质一般，层厚薄，部分地段缺失，不宜作为桩基持力层使用。（4-2）、（4-3）层为中实～密实状态粉细砂，力学性质良好，且层面埋深稳定，是拟建地下室（无上部建筑区域）、裙房、商铺良好的桩基持力层。应注意的是，（4-2）（4-3）层中夹有相对松软的（4-2a）、（4-3a）薄夹层，桩基设计施工时应注意桩端应与软弱夹层保持安全距离。（4-5）层砂、砾胶结层，强度高，部分地段缺失，分布稳定处可作为26层的高层写字楼、公寓和33层的高层住宅桩端持力层使用。

第（5）、（6）单元层为白垩—下第三系泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、砂砾岩，其中（5-2）层中风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，埋深稳定，强度高，是拟建25层的高层写字楼、公寓和33层的高层住宅良好的桩基持力层。 2.6.2 地基基础型式

本工程中的裙房、商铺、地下室、售楼部，单柱荷载相对较大，结合场地浅部地层特性及空间分布情况，裙房、商铺、地下室、售楼部不宜采用天然地基基础。高层建筑更不具备采用天然地基的条件，故本工程场地各拟建建（构）筑物均宜采用桩基础。

拟建建筑体量大，结构型式及荷载存在差异，桩基础设计时，宜根据不同荷载，结合不同地段地层情况具体分析。本工程较适宜的桩基础型式有钻孔灌注桩及预应力管桩，对于26层和33层的高层建筑，桩型宜选用钻孔灌注桩以（5-2）层中风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为桩端持力层，当采用钻孔灌注桩后压浆施工工艺时，可根据各处持力层面及层厚等具体情况选（4-5）、（5-1）、（5-2）配合作为持力层；地下室和2～5层的裙房、商铺、售楼部可选用预应力管桩以（4-2）层或（4-3）层粉细砂作为桩端持力层。各建筑物可根据荷载要求选择不同直径、不同桩长的桩基础来获得不同的单桩承载力，鉴于拟建建筑对变形较敏感，建议同一单体建筑选择同一桩型尽量选择同一持力层。

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第三章 A-OPQRSA段基坑支护结构设计

第一节 设计依据

⑴ 武汉新华西路万达广场总平面图——万达商业规划研究院

⑵ 武汉新华西路万达广场地下一层、二层平面图——万达商业规划研究院 ⑶“武汉新华西路万达广场岩土工程勘察报告”—— 武汉市勘察设计院 ⑷《湖北省深基坑工程技术规程》（DB 42/159-2004） ⑸《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-99） ⑹《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002） ⑺《钢结构设计规范》（GB50017-2003） ⑻《土层锚杆（索）设计与施工规范》（CECS22：2005） ⑼《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008） ⑽《供水水文地质勘察规范》（GB 50027-2001） ⑾《建筑与市政降水工程技术规范》（JGJ/T11-98） ⑿《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002） ⒀《地基基础处理规范》（JGJ 79-2002） ⒁《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497-2009） ⒂ 业主提供的周边环境、结构施工图等相关资料

第二节 设计参数

根据岩土工程详细勘察报告和《湖北省深基坑工程技术规程》，结合相关工程实践经验，基坑支护设计有关参数取值见表3-1。根据业主提供的地质勘察资料，B区基坑周边地层概化为8种不同情况进行计算，A区基坑周边地层概化为14种不同情况进行计算。本次计算选取A区A-OPQRSA段进行初步模拟与设计。表3-1为A-OPQRSA段基坑设计土层基本参数取值表，图3-1为A-OPQRSA段基坑周边涉及地层展开图。

表3-1 A-OPQRSA段基坑设计土层基本参数取值表 层号 土层名称 1 2-1 2-2 2-3 4-1 4-2 杂填土 粘土 重度γKN/M3 粘聚力 内摩擦角(°) MkPa/m2 深度范围 C（kPa） （m） 18.0 18.0 8 18 10 16 0 0 18 8 5 11 27 33 5480 2280 800 2920 11880 18480 1.6 0.9 9.3 2.7 7.6 淤泥质粉质粘土 17.0 粉质粘土混粉土 17.3 粉砂 粉细砂 19.2 19.7 10

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第三节 A-OPQRSA段基坑支护方案选择

3.3.1 可供选择的支护方案

近年来，武汉市房地产开发的力度不断加大，高层建筑越来越多。伴随着房地产业的飞速发展，深基坑支护技术也取得了长足进步。基坑支护方式趋向多样化，多种支护方式并用的联合支护被采用的越来越多，基坑支护造价也趋向于更经济合理。

根据本基坑工程的开挖深度、周边环境、地层性质，结合武汉市的地区经验，本工程可供选择的支护方式及其优劣性分析见表3-2。

表3-2 A-OPESA段基坑支护方式及优劣分析表 分项特点 支护方式 主要特点 适用于不同深度的基坑，武汉市普遍使用，地区经验丰富。在淤泥质土中锚杆锚固效果较差，邻近建筑为桩基础时不能使用。受红线限制。 可适用于不同深度的基坑，尤其使用于平面尺寸狭长的基坑，武汉市有成功经验。但施工周期很长，尤其对后续施工影响很大。 可靠性 工期 造价 本工程中的适宜性 桩锚支护 好 较长 较高 受红线及地质条件影响，本场地不能使用锚杆。但可采用锚拉桩工艺。 通过合理布置支撑构件，保证土方挖运便利，但土方开挖难度较大，可采用方案。 利用本场地周边较为开阔的条件，对坡顶一定范围内的土方进行有条件卸载，，大部分地段可以采用。 本场地部分地段可采用。 桩撑支护 好 较长 较高 坡顶减载 放坡 可有效降低支护结构承受的主动土压力，目前武汉市的深基坑普遍采用。 较好 短 低 双排桩支护 适用于不同深度基坑，武汉市已有多个基坑应用，尤其适用较好 于地层差、受红线限制地段。 较短 较高 通过比较不难发现，上述支护方案各有优缺点。从技术上讲除部分方案本工程不宜采用外，可以采用的支护方案不止一种。只有同时综合考虑安全、造价、工期等多方面因素，才能使支护方案最终做到既经济又合理。

本场地大部分地段地面下15m范围内均为软土，最深处达18m，而基坑开挖深度达10m-11m，坑内被动区土层强度低，不能为支护体系提供有效的被动土压力。为保证支护体系的有效性，减少软土层对基坑支护体系的影响，对某些区段的被动区土体采用搅拌桩

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改良加固处理是必要的。 3.3.2 支护方案的比选原则

首先根据地层、开挖深度、周边环境的不同详细对基坑支护分段，然后对每一段按由简单到复杂、由低价到高价的先后顺序进行试算、比较，同时兼顾工期及其它工程条件，最后选择最佳的方案。

3.3.3 A-OPQRSA段支护方案的选择

根据A-OPQRSA段的工程地质条件和对基坑支护方案优劣分析最终确定该段支护总体方案为：以大直径钻孔灌注桩作为主体支护桩、双排粉喷桩作为止水帷幕联合角撑与对顶撑相结合的内支撑为主的多种联合支护方案。具体支护结构剖面布置图见图3-2，分析见表3-3.

图3-2 A-OPQRSA段支护体系布置剖面图

表3-3 A- OPQRSA段支护方案分析表

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分段号 开挖深度m 本段特点 坑外为现场施工道路；坑壁分布有较厚的淤泥质土，坡脚以下则分布较薄；有较空阔的放坡空间，局部开挖深度较深。 可选的支护方案 1、上部放坡卸载 2、支护桩+混凝土内支撑 3、坑壁采用粉喷桩止水 OPQRSA 11.0～11.4

第四节 A-OPQRSA段基坑减载放坡设计

本场地地面下3~16m范围内分布有深厚软土层，对支护体系的安全及经济均带来较大影响。为降低工程造价，保证支护体系的安全，对场地周边进行大卸载以减少主动土压力，尤其对A、B区的中间条带上部2m范围内土体整体卸载。

针对A基坑OPQRSA段利用周边开阔的环境条件，对基坑上部3.0m～4.6m深度、宽度5.0m~18.0m范围内采用放坡卸载，以减少主动区土压力，坡中设置放坡平台，坡面采用挂网喷面或喷锚网保护。A-OPQRSA段坡高、坡率具体见表3-4。

表3-4 A-OPQRSA段基坑周边放坡设计参数一览表 段号 地面 标高 坑底 标高 9.70 开挖 深度 11.0 放坡参数 坡高 3.1 坡率 1:1 平台 宽 7.50 三级坡参数 坡高 7.80 坡率 直坡 A-OPQRSA 20.7

A-OPQRSA段具体设计如下：

喷锚网支护段喷面采用喷射砼，砼设计强度为C20，厚度6cm-8cm，配比为水泥：砂：石子＝1：2：1.5，水灰比为0.4～0.5，采用标号不低于32.5MPa的普通硅酸盐水泥、粒径不大于2.5mm的中细砂和粒径小于5mm的瓜米石。钢筋网规格为Φ6.5＠200×200， 加强筋为Φ16圆钢。将各排锚杆、加强筋焊成网络, 以增加面层刚度。上下段钢筋网搭接长度应大于300mm。锚杆长度为3.0m~4.5m，间距1200mm×1200mm，角度15度。当土层松散、孔内塌孔严重时，用一次性锚管代替锚杆，锚管规格为：Φ48×2.8（锚管需采用帮焊角钢的方法加强处理）。

表3-5 A-OPQRSA段放坡支护设计参数

一级坡参数 段号 A-OPQRSA 地面标高 开挖深度 20.7 3.10 坡高 3.1 坡率 1:1 支护形式 平台宽 喷锚网 7.50 备注 局部粉喷桩加固 第五节 A-OPQRSA段基坑支护桩设计

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在0~3.1m段采用减载放坡设计，破率为1：1，在距地面3.1m放坡坡脚处开挖形成了7.5m的放坡平台，做为施工道路，然后在垂直开挖7.8m，形成了深10.9m的深基坑。具体剖面图如下图。

图3-3 A-OPQRSA段基坑设计剖面图

3.5.1 土压力计

计算方法：朗肯土压力理论 计算参数： 层号 土层 名称 1 2-1 2-2 2-3 4-1 计算模型简化：由于在距地面3.1m处开挖成为宽7.5m的施工道路，公路荷载简化为均部荷载，大小为15kpa，施工道路右边的放坡及土体荷载简化成为均部荷载，大小γh=15.5.0

1.6

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重度γKN/M3 粘聚力 内摩擦角(°) MkPa/m2 深度范围 C（kPa） （m） 18.0 18.0 8 18 10 16 0 18 8 5 11 27 5480 2280 800 2920 11880 1.6 0.9 9.3 2.7 7.6 杂填土 粘土 淤泥质粉质粘土 17.0 粉质粘土混粉土 17.3 粉砂 19.2 =

kN/m2,地下水位取-4m处，为了计算简

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单，下面的计算把施工道路平面作为零点基准面，标高为0m。

具体计算如下：

外荷载：

主动土压力计算：

在施工道路平面的土压力：

（3-1）

地下水位处（-0.9m）主动土压力：

淤泥质粉质粘土与粉质粘土混粉土（-8.7m）处上表面土压力：

淤泥质粉质粘土与粉质粘土混粉土（-8.7m）处下表面土压力：

（3-2）

粉质粘土混粉土与粉砂（-11.4m）处上表面土压力：

粉质粘土混粉土与粉砂（-11.4m）处下表面土压力：

（3-3）

粉砂与粉细砂分界面处（-19m）土压力：

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被动土压力计算：

基坑底面（-7.8m）被动土压力：

淤泥质粉质粘土与粉质粘土混粉土（-8.7m）处上表面被动土压力：

淤泥质粉质粘土与粉质粘土混粉土（-8.7m）处下表面被动土压力：

61.73kpa

粉质粘土混粉土与粉砂（-11.4m）处上表面被动土压力：

粉质粘土混粉土与粉砂（-11.4m）处下表面被动土压力：

粉砂与粉细砂分界面处（-19m）土压力:

3.5.2 计算支护桩桩长、内支撑力和最大弯矩

对桩顶部设支撑的挡土支护桩，需要根据地质条件及开挖深度，确定出桩的最小入土深度，之后即可定出挡土墙的最小总长度，还需要根据挡土桩承受荷载的大小，计算出桩身承受的最大弯矩及顶部支撑所承受的反支撑力，以确定桩身截面的大小、配筋及确定支撑构件所需的强度和截面尺寸。

计算桩长思路为求出主动土压力合理大小和作用点位置，求出被动土压力大小和作用点位置，在对桩顶求力矩就可以求出桩长，由于涉及4层土层，土压力大小和作用位置不容易求出，可以把梯形土压力区域分割呈矩形土压力区域和三角形土压力区域，再分别求出其大小和作用点位置。

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图3-5 计算简化图

具体计算步骤如下：

设支护桩深入粉砂层的深度为x米，则主动土压力可以用下式表达： 各层土主动土压力 = 矩形土压力区 + 三角土压力区

地下水以上0.9m

地下水以下7.8m：

2.7m粉质粘土混粉土主动土压力大小：X米粉砂土主动土压力大小：

各层土矩形主动土压力对A点求力矩：

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各层土三角主动土压力对A点求力矩：

则各层土的主动土压力对A点的总力矩：

各层被动压力可以用下式表达：

各层土被动土压力 = 矩形土压力区 + 三角土压力区 基坑底部0.9m淤泥质粉质粘土被动土压力大小：2.7m粉质粘土混粉土被动土压力大小：X米粉砂土被动土压力大小：

各层土矩形被动土压力对A点求力矩：

各层土三角被动土压力对A点求力矩：

则各层土的被动土压力对A点的总力矩：

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由于支护桩是平衡的，则对于A点主动力矩应该等于被动力矩：则有：

求上述三次方程，求解 则最短桩长为：

为了安全起见桩长取

设内支撑力为F

求出桩长以后，则支护桩后面的主动土压力为： 被动土压力为：

由力平衡可知，内支撑力：

设最大弯矩为

，设桩顶以下深度为y处的剪力为零，则：整理上式可得：

解

对桩顶下6.705m处求力矩：

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得

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因为桩间距取1.2m，故最大弯矩取

由于本基坑地处武汉市区，周围房屋建筑密集，基坑深度较大，工程地质条件比较复杂，有深厚淤泥、淤泥质土、饱和粘性土层，对基坑工程有重大影响，因此，重要性等级为一级。

根据《基坑工程技术规范（湖北）》规定当确定支护桩截面尺寸及配筋和验算材料强度后，荷载效采用承载能力极限状态下荷载效应的基本组合。其组合设计值 S 应采用下式所示简化规则：

R （3-4）

式中：

R —— 结构构件抗力的设计值，按有关建筑结构设计规范的规定确定；

—— 荷载效应的标准组合值；

—— 临时性支护结构调整系数 ， 对一、二、三级基坑分别取 1.0 、 0.95 、 0.90 。

因此，计算所用的弯矩应该乘以重要性系数1.35，故3.5.3 配筋计算

支护桩所承受的最大弯矩荷载确定后，即可按照钢筋混泥土偏心受压构件计算桩身配

筋。由于本例采用放入是圆形钢筋混泥土支护桩，可以按照《混凝土结构设计规范》进行支护桩正截面受压承载力计算。

具体计算步骤如：

当桩轴向力设计值N=0时，设受压区混凝土截面面积的圆心角与2π的比值α，则：

（3-5）

式中：α—对于受压区混凝土截面面积的圆心角与2π的比值；

A— 支护桩桩截面面积；

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设：

则上式可以改为：

（3-6）

（3-7）

经试算得到α值，代入下式（3），计算桩正截面弯矩设计值M，以此验算桩截面及配筋是否满足要求：

（3-8）

式中：r—圆形桩截面的半径；

本例中，由于支护桩直径1000mm支护桩的混凝土强度等级取C30，钢筋取ф28HRB335，出三个方程组，包含

，

;

，则由（3-6）（3-7）（3-8）式可以得

，进行配筋。但是由于

三个未知数，联立求解就可以计算出

（2）方程的化解求解涉及到迭代求解比较麻烦，因此采用excel表格的规划求解进行迭代

计算，计算过程省略。

通过excel表格的规划求解得到最优解

设

纵

向

手

里

钢

筋

为

n

根

，

则

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所以采用26ф28HRB335，钢筋保护层厚度取50mm。

验算纵向圆形截面钢筋保护层是否满足间距要求： 设钢筋笼圆

周

长

为

则纵向钢筋之间距为，根据钢筋混凝土规范纵筋之间的间距满足要求。

验算是否满足最小配筋率：根据《钢筋混凝土结构设计规范》规定，受弯构件、偏心受拉、轴心受拉构件，其一侧纵向受拉钢筋应不小于0.002和① 、最小配筋率至少大于截面面积的千分之二

则：

中的较大者。

，满足要求。

② 、

所以，最后配筋方案为：主筋采用26φ28HRB335，均匀圆周布置，保护层厚度50mm。配φ8@200的螺旋箍筋，φ16@2000定位钢筋。 3.5.4 基坑支护稳定性验算

（1）整体性稳定性验算

稳定性验算就是通过试算确定最危险的滑动面和最小的安全系数确定的判断基坑的稳定性，本次验算采用北京里正软件进行基坑的稳定性验算。

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计算方法：瑞典条分法 应力状态：总应力法

条分法中的土条宽度: 0.40m 滑裂面数据

整体稳定安全系数 Ks = 1.637 圆弧半径(m) R = 11.338 圆心坐标X(m) X = -2.592 圆心坐标Y(m) Y = 1.754

（2）基坑底部隆起验算

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图3-

对于粘性土基坑，将支挡墙底标高处平面作为求极限承载力的基准面，若产生滑动，其滑移曲线如图3-6所示。

为了安全起见，不考虑档墙后侧AC面上的土体抗剪强度。工程中参照太沙基或者普朗德尔地基极限承载力公式，采用下式验算抗隆起安全系数：

式中：q—基坑顶面荷载（KN/ D—板桩入土深度（m）

）

（3-9）

—太沙基地基承载力系数，其中 ，

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Nq???tan45?10.0002??2e3.142tan10.000?2.471。

Terzaghi(太沙基)公式(Ks >= 1.15～1.25)，注：安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB 9258-97(冶金部):

Nq?12_??e?34???2o?tan?cos??3445??2??2?2 _Nc??Nq?11tan? Nq?12e??3.142?10.0002tan10.000_cos?45?10.000? ?2?2.694 _Nc??2.694?1?1tan10.000?9.605_KS?18.588?9.000?2.694?10.000?9.60517.943??7.800?9.000??43.680 _Ks = 1.583 >= 1.15, 满足规范要求。

第六节 A-OPQRSA段基坑地下水控制方案设计

本工程场地主要赋存有两种类型地下水，即上层滞水和承压水。上部上层滞水水位埋藏浅，下部承压水水头高。基坑开挖已揭露④单元承压水含水层，经过对本项目的地层、承压水、及基坑挖深的各种因素分析，本基坑必需进行降水设计，以保障基坑开挖和地下室施工的顺利进行，防止由于坑壁流水（砂）、坑底突涌等地下水水患而造成周边地面和建筑物的变形。下面是武汉地区几种处理地下水的几种比选常用方法： 3.6.1 周底隔渗

周底隔渗是在基坑四周及基坑底部采用高压旋喷或高压注浆施工成一全封闭桶状水泥

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土隔渗帷幕，从而使基坑底部及四周的地下水不向基坑内渗透。周底隔渗式处理方法的优点是可以保证基坑四周地面基本上不产生沉降变形，其缺点是费用甚高，而且周底隔渗由于施工质量难以控制，不能保证地下水100%不向基坑渗漏。若个别地段存在施工质量缺陷，则会出现局部突涌、流砂，由于没有采取降水措施，支护桩内外两侧势必存在很高的水头差，此时若基坑垂直帷幕存在局部施工质量缺陷，地下水必然会从薄弱处逸出从而发生流土、流砂现象，流土、流砂则会使坑周地层出现潜蚀掏空，往往引起严重的环境破坏。泰合广场基坑问题既是典型的一例。周底隔渗式地下水处理方法在武汉地区应用的实例不多，少有几例都不完全成功，因此该深基坑工程不宜采用周底隔渗方法处理地下水。 3.6.2 落底式垂直帷幕

落底式垂直帷幕既是围绕基坑四周从地表往下到基坑深部不透水基岩，采用高压摆喷或高压注浆施工成一四周封闭的水泥土隔渗帷幕，从而使基坑四周及底部的地下水不向基坑内渗透。落底式垂直帷幕的优缺点与周底隔渗的优缺点相同。另外，由于落底式垂直帷幕的深度一般很深，因而其施工质量难以保证，采用这种方法时一般还需辅以井点降水，井点降水能力一般要求预备能降到基坑底。由于上述原因，在该基坑地下水处理方法中我们亦不推荐采用。 3.6.3 中型井点降水

中型井点降水是武汉市治理地下水危害的一种常用且行之有效的方法。中型井点降水的优点是施工简便，工艺质量可靠、造价低，在武汉市及我单位已有很多成功的实例和经验；其缺点是中型井点降水要控制得当，不然的话，井点降水产生的附加地面沉降可能会使基坑四周一定范围内的建筑物受到一定程度的破坏。在该工程地下水处理中采用中型井点降水，只要设计恰当，加强观测，严格管理，同时辅以一定的预防性措施是经济可行的。中型井点降水能使基坑周边地层中的地下水水头降低，从而能够提高基坑外主动侧土层的c、Φ值，有利于基坑边坡的稳定及锚杆的施工。因此在本基坑地下水处理方案中我们优先推荐使用中型井点降水方法。 6.4 本基坑选用的地下水控制方案

综上所述，该基坑地下水处理方案可行的有中型井点降水和联合处理方法。当采用中型井点降水方法时不可避免的会引起坑周一定范围内一定的地面沉降，而联合处理方法引起的地面沉降相对较小，但其工程造价是中型井点降水方法的5-8倍，从经济可行角度出发，我们优先推荐本基坑地下水处理采用采用深井降水技术和隔渗技术相结合的地下水处理方案。

本工程拟采用坑壁侧向止水帷幕＋坑内中深井降水相结合的地下水处理措施。中深井降水不可避免的会引起场地周边地面一定的沉降量，但根据多年来在武汉市从事深基坑工程方面的经验，可以通过以下两个方面来将其负面影响降低到最小程度：

综合分析，针对本工程场地周边环境的严峻性和复杂性，本基坑支护拟采用的地下水

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处理方法为周边侧向帷幕止水、中部中型井点降水。

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第四章 基于flac3D基坑开挖模拟分析

第一节 关于flac3D的概述

Flac是快速拉格朗日差分分析（Fast Lagrangian Analysis of Continua）的简称，源于流体力学，最早由Willkins用于固体力学研究。Flac3D程序自美国ITSCA咨询公司推出后，已成为目前岩土力学计算中重要的数值模拟方法之一。该程序是flac二维计算程序在三维空间的扩展，用于模拟三维土体、岩体或者其他材料的力学特性，尤其是达到屈服极限时的塑性流变特性，广泛用于边坡稳定性分析、支护设计及评价、地下洞室、施工设计（开挖、填筑）、河谷演化过程再现、拱坝稳定性分析、隧道工程、矿山工程等多个领域。

第二节 基坑维护方案

根据万达广场基坑工程特点和工程经验，本基坑围护总体方案是：以大直径混凝土排桩、双排桩、角撑与对顶撑相结合的内支撑为主的多种联合支护方案，结合坡顶大面积卸土减载、坑内被动区加固的措施；地下水则采用坑壁止水帷幕、坑内中型井点降水处理。 4.2.1 竖向设计

万达基坑A-OPQRSA段开挖深度为11.0～11.4m，基坑竖向支护方案设计为用双排搅拌桩作为防渗帷幕隔断坑内外地下水，并采用直径1.0m，间距为1.2m的钻孔灌注桩作为维护桩，通过前面计算钻孔灌注桩配筋方案为：主筋采用26φ28HRB335，均匀圆周布置，保护层厚度50mm。配φ8@200的螺旋箍筋，φ16@2000定位钢筋。 4.2.2 内支撑设计

本基坑内支撑主要采用角撑、对撑形式，尽量减少支撑杆件数量，方便土方的挖运。同时为了施工和拆除方便及经济起见，支撑构件均采用钢筋混凝土梁。内支撑杆件共分为11种类型。

表4-1 基坑支撑杆件设计参数一览表 杆件类型 代码 冠梁 对顶撑 GL DC2 尺寸（mm） 配筋参数 (宽×高) 主筋（面筋＋侧筋） 箍筋 混凝土 备注 强度 III级钢 III级钢 见栈桥施工图 III级钢 1200×500 2×4Φ22+2×3Φ20 φ8@200 C30 2×5Φ22+2×3Φ20 φ8@200 C30 φ8@200 C30 2×5Φ22+2×3Φ20 φ8@200 C30 800×900 700×750 DC1、DC3 800×800 角撑、斜撑 JC、XC 28

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联系梁

LL 600×600 2×4Φ20+2×4Φ20 φ8@200 C30 III级钢 栈桥部分联系梁详见栈桥施工图 第三节 计算模型及参数

本次基坑模拟开挖主要设计模拟的段位为基坑A中的OPRSA段，开挖涉及的土层有五层，具体参数如下表： 土层名称 杂填土 粘土 淤泥质粉质土 粉质粘土 粉砂

考虑到基平面坑外形类似不规则矩形，计算时间问题（网格单元建立不宜过多），所以本次模拟建模采用家三维模拟（y方向只设一个网格单元），具体建模过程如下：

new

title 深基坑工程

gen zone brick size 100 1 30 &

p0 0 0 0 p1 100 0 0 p2 0 1 0 p3 0 0 30 group Zliantu range z 28 30 group Liantu range z 27 28 group Yliantu range z 18 27 group Fliantu range z 15 18 group Fensha range z 0 15

model mohr；设置为摩尔—库伦模型 ；设定初始平衡材料参数

prop bulk 6.6e6 shear 3.8e6 coh 1e10 ten 1e10 fric 27 range z 0 15 prop bulk 5.4e6 shear 2.3e6 coh 1e10 ten 1e10 fric 20 range z 15 18 prop bulk 4.08e6 shear 2.09e6 coh 1e10 ten 1e10 fric 15 range z 18 27 prop bulk 5.08e6 shear 2.19e6 coh 1e10 ten 1e10 fric 18 range z 27 28 prop bulk 7.8e6 shear 4.0e6 coh 1e10 ten 1e10 fric 18 range z 28 30

ini dens 1834.9 range z 27 30 ini dens 1732.9 range z 18 27

29

密度 1834.9 1834.9 1732.9 1763.5 1957.2 粘聚力 内摩擦泊松比 C（kPa） 角（度） 8 18 10 16 0 18 8 5 11 27 0.33 0.33 0.35 0.3 0.3 K /MPa 7.8 5.08 4.08 5.4 6.6 G /MPa 4.0 2.19 2.68 3.3 4.8 层 厚（m） 1.6 0.9 9.3 2.7 7.6 中国地质大学（武汉）本科毕业设计

ini dens 1763.5 range z 15 18 ini dens 1957.2 range z 0 15 ；设定边界条件 fix x range x -0.1 0.1 fix x range x 99.9 100.1 fix y

fix z range z -0.1 0.1

ini pp 2.6e5 grad 0 0 -10e3 range z 0 26 set grav 0 0 -10 ；记录最大部平衡力 hist unbal solve

FLAC3D 3.00Settings: Model Perspective11:57:50 Sat Jun 05 2010Center: X: 5.000e+001 Y: 5.000e-001 Z: 1.500e+001Dist: 2.770e+002Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Mag.: 1Ang.: 22.500Job Title: 深基坑工程Block GroupzliantuliantuyliantufliantufenshaAxes LinestyleZYXItasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA 图4-1 模型土层分布图

第四节 初始应力计算

本例采用solve命令对模型进行初始计算，获得附加地下水压力、重力条件下的初始平衡状态，也就是模拟开挖前的土体应力状态。计算得到的竖向应力云图、孔隙水压力图、最大不平衡力检测图如下：

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FLAC3D 3.00Step 2349 Model Perspective12:06:46 Sat Jun 05 2010Center: X: 5.000e+001 Y: 5.000e-001 Z: 1.500e+001Dist: 2.770e+002Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Mag.: 1Ang.: 22.500Job Title: 深基坑工程Contour of SZZ Magfac = 0.000e+000 Gradient Calculation-5.6956e+005 to -5.0000e+005-5.0000e+005 to -4.0000e+005-4.0000e+005 to -3.0000e+005-3.0000e+005 to -2.0000e+005-2.0000e+005 to -1.0000e+005-1.0000e+005 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 5.2322e+000 Interval = 1.0e+005Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA 图4-2 初始平衡计算的z方向应力图（土压力图）

FLAC3D 3.00Step 2349 Model Perspective12:07:57 Sat Jun 05 2010Center: X: 5.000e+001 Y: 5.000e-001 Z: 1.500e+001Dist: 2.770e+002Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Mag.: 1Ang.: 22.500Job Title: 深基坑工程Contour of Pore Pressure Magfac = 0.000e+000 0.0000e+000 to 2.5000e+004 2.5000e+004 to 5.0000e+004 5.0000e+004 to 7.5000e+004 7.5000e+004 to 1.0000e+005 1.0000e+005 to 1.2500e+005 1.2500e+005 to 1.5000e+005 1.5000e+005 to 1.7500e+005 1.7500e+005 to 2.0000e+005 2.0000e+005 to 2.2500e+005 2.2500e+005 to 2.5000e+005 2.5000e+005 to 2.6000e+005 Interval = 2.5e+004Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA 图4-3 初始平衡计算土体中的孔隙水压力图

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Job Title: 深基坑工程x10^4 1.4FLAC3D 3.00Step 234912:10:12 Sat Jun 05 2010History 1 Max. Unbalanced Force Linestyle 2.377e+001 <-> 1.454e+004 1.2 Vs. Step 1.000e+001 <-> 2.340e+003 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA 0.5 1.0x10^3 1.5 2.0 图4-3 初始平衡计算中最大不平衡力监测图

通过上图4-3可知，土体中最大部平衡力随着时步的增加越来越小，当计算达到15000步后，最大不平衡力基本稳定收敛为0，说明这时候土体已经达到了平衡状态，系统外力和内力之差的最大值小于50N。

第五节 支护桩施工

在初始应力平衡过后，进行钻孔灌注桩施工，钻孔灌注桩利用桩单元（pile）进行施工模拟，具体过程如下： ；土体真是内聚力

prop coh 1.2e4 range z 0 15 prop coh 1.6e4 range z 15 18 prop coh 1.0e4 range z 18 27 prop coh 1.8e4 range z 27 30

；将初始平衡的速度和位移矢量清零 ini xdis 0 ydis 0 zdis 0 ini xvel 0 yvel 0 zvel 0

；建立两个桩单元，id号分别为1和2

sel pile id=1 beg 30 0.5 9 end 30 0.5 27 nseg 16 sel pile id=2 beg 70 0.5 9 end 70 0.5 27 nseg 16 ；设定桩单元参数

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sel pile prop emod=8.0e10 nu=0.30 xcarea=0.7854 & xcj=9.82e-2 xciy=4.91e-2 xciz=4.91e-2 & per=3.14 &

cs_sk=1.3e11 cs_scoh=1.0e10 cs_sfric=15.0 & cs_nk=1.3e10 cs_ncoh=1.0e7 cs_nfric=15.0 & cs_ngap=off

；把桩单元的入土端设定为固定端 sel delete link range id 1 sel link id=126 1 target zone

sel link attach xdir=rigid ydir=rigid zdir=rigid & xrdir=rigid yrdir=rigid zrdir=rigid range id 126

;sel link attach xrdir=free yrdir=free zrdir=free range id 126 ;sel link attach xdir=nydeform range id 126

;sel link constit nydeform 1 area=1.0 k=5.4e11 ycomp=2.22e5 range id 126

sel delete link range id 18 sel link id=125 18 target zone

sel link attach xdir=rigid ydir=rigid zdir=rigid & xrdir=rigid yrdir=rigid zrdir=rigid range id 125

;sel link attach xrdir=free yrdir=free zrdir=free range id 125 ;sel link attach xdir=nydeform range id 125

;sel link constit nydeform 1 area=1.0 k=5.4e11 ycomp=2.22e5 range id 125

def setup np=nd_find(1) end setup

def disp_lat

_mag=sqrt(nd_rdisp(np,1,1)^2+nd_rdisp(np,1,2)^2) if nd_rdisp(np,1,1)<0.0 then disp_lat=-_mag else

disp_lat=_mag end_if end

第六节 模拟分层开挖和设定锚杆

本例采用分层开挖，开挖量主要有放坡三角开挖、施工道路开挖和基坑主体开挖，开挖顺序为三角放坡开挖和施工道路开挖同时进行，再进行基坑主体开挖。放坡高度为3.1m，

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坡脚为45度，放坡开挖完成后进行土钉加固。施工道路宽7.5m，基坑主体开挖1m后打入一排锚杆控制大变形量的产生，产生桩锚支护体系，然后继续开挖到基坑底部，开挖施工完成。具体实现过程如下：

；三角放坡开挖，采用阶梯开挖代替 model null range x 23 77 y 0 1 z 29 30 model null range x 24 76 y 0 1 z 28 30 model null range x 25 75 y 0 1 z 27 30

；进行土钉加固

sel cable id 3 begin 75 0.5 27.5 end 80 0.5 27.5 nseg=5 sel cable id 4 begin 76 0.5 28.5 end 81 0.5 28.5 nseg=5 sel cable id 5 begin 77 0.5 29.5 end 82 0.5 29.5 nseg=5 sel cable id 6 begin 20 0.5 27.5 end 30 0.5 27.5 nseg=5 sel cable id 7 begin 19 0.5 28.5 end 24 0.5 28.5 nseg=5 sel cable id 8 begin 18 0.5 29. 5end 23 0.5 29.5 nseg=5

；设置土钉参数

sel cable prop xcarea 8.5e-3 emod 200e9 ytens 1e10 & gr_k 7e6 gr_coh 1e2

sel cable prop gr_per 0.314 gr_fric 25

；基坑主体开挖1m

Model null range x =30 70 y =0 1 z=26 27

；进行预应力锚杆加固

sel cable id=6 beg 70 0.5 26 end 82 0.5 20 nseg 10；建立锚杆自由段 sel cable id=6 beg 82 0.5 20 end 84 0.5 19 nseg 10；建立锚杆锚固段 sel cable id=6 prop emod 2e10 ytension 310e3 xcarea 0.0004906 &

gr_k 1 gr_coh 1 gr_per 0.0785 range cid 48,57；设置锚杆自由段参数 sel cable id=6 prop emod 2e10 ytension 310e3 xcarea 0.0004906 & gr_k 2e7 gr_coh 10e5 range cid 58,67；设置锚杆锚固段参数

；进行桩锚单元的连接

sel set link node_tol 0.5；设置连接容差

sel delete link range id 145；删除锚杆53号节点原有的连接145 sel link id 100 53 target node tgt_num 34 ；连接锚杆单元和桩单元，连接点id号为100 sel link attach xdir=rigid ydir=rigid zdir=rigid &；设置连接点的六个自由度 xrdir=rigid yrdir=rigid zrdir=rigid range id 100

sel cable id=6 pretension 60e3 range cid 48,57；在锚索自由段施加预紧力

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；继续开挖到基坑底部

Model null range x =30 70 y =0 1 z=19 26

；施加公路荷载

apply szz -1.5e5 range z 26.9 27.1 x 70 75 y 0 1 apply szz -1.5e5 range z 26.9 27.1 x 25 30 y 0 1

第七节 设置采样记录变量

命令流能够运行后为了进行更丰富的后处理，必须对一些变量、矢量等进行记录，采样记录主要通过hist命令实现。本例的采样记录命令如下： hist id 1 gp xdis 70 0 27 hist id 2 gp xdis 30 0 27 hist id 3 gp xdis 23 0 30 hist id 4 gp xdis 77 0 30 hist id 5 gp zdis 70 0 19 hist id 6 gp zdis 30 0 19 hist id 7 gp zdis 28 0 27 hist id 8 gp zdis 72 0 27 hist id 9 sel node xdisp id 2 hist id 10 sel node xdisp id 19 hist id 411sel pile force fx cid 12 plot surf

plot add sel geo id on plot add vel yellow ;set large

plot add ax red solve

开挖建立模型完成后的图4-4，其中蓝色部分代表基坑主体，红色部分代表桩单元、预应力锚索单元、土钉单元。

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FLAC3D 3.00Step 30658 Model Perspective21:58:39 Sat Jun 05 2010Center: X: 5.581e+001 Y: 5.000e-001 Z: 2.262e+001Dist: 2.770e+002Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Mag.: 1.25Ang.: 22.500Job Title: 深基坑工程Surface Magfac = 0.000e+000SEL Geometry Magfac = 0.000e+000Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA 图4-4 建模完成后基坑模拟图

第八节 计算结果分析

计算结果分析主要是进行后处理命令，flac3d提供了丰富多彩的后处理，主要包括变形云图、变形矢量云图、变量监测、历史跟踪、计算结果输出等。本例的后处理主要包括x、z方向的位移云图、塑性区分布图、速度矢量图、变量监测对比图、结构单元内力图，并且对每个图形进行相应的分析。

本基坑开挖完成后为对称图形，为了方便在后处理中观察添加支护结构和没有添加支护结构的对比图，在本例基坑的左壁没有设立相应的预应力锚杆和放坡坡面没有进行土钉加固，在基坑的右壁设立了相应的预应力锚杆和放坡坡面没有进行土钉加固，这样在一个后处理图中就可以看到两个完全不一样的效果，而且便于对变形量监测比较。 4.8.1 变形云图

首先分析，基坑开挖进行支护后x、z方向的位移云图，图中可以看出x方向的最大位移发生在开挖坡脚深部地基中，在桩顶的x方向的位移也很大，其中左壁桩单元没有进行预应力锚索加固，在x方向产生较大位移，最大达到7.5cm。而相比之下，右壁进行了预应力锚索加固，x方向的最大位移量控制在2.5cm左右，已经符合《湖北省基坑设计规范》中预应力锚索加固桩顶的水平向位移小于40mm的要求。z方向的最大位移发生在左侧施工道路上，最大沉降量已经达到了40cm左右，显然基坑左壁没有进行预应力锚索加固，

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