基坑开挖与支护FLAC数值模拟计算及分析

介绍了FLAC-2D,根据基坑工程具体实例,采用FLAC-2D对基坑开挖及其支护结构状态进行计算和分析;并模拟了在未进行支护条件下的基坑开挖,得出了基坑土体在支护和未支护条件下,土体的应力状态、位移等值线图、位移矢量图、最终沉降量和结构受力.计算结果也证明了支护结构设计的合理性,对工程设计及施工分别起到了验证和预测的作用.     

考虑基坑卸载影响的改进弹性抗力法及其应用

弹性抗力法是目前实际工程中基坑支护结构变形内力计算的一种主要方法,该方法借鉴的是计算水平荷载作用下竖直放置弹性桩的地基反力系数法,但没有考虑开挖卸载对土抗力系数和坑内土体的变形影响,因而导致变形计算值通常小于实测值。首先在开挖面施加反向自重应力模拟基坑的开挖卸荷,利用Mindlin解得到坑内土体的卸荷应力分布;在前人的实验研究基础上,推导了不同卸荷比下考虑卸荷影响的土体水平抗力系数;将支护结构的变形分解为开挖瞬时的卸载作用和基坑内外水土压力差作用2个阶段,考虑卸载应力路径对坑内土体水平抗力系数以及开挖瞬时变形的影响,对传统的弹性抗力法进行了改进,最后将该方法应用于典型三维基坑算例。研究发现,改进法得到的支护结构水平变形大于传统方法,而对内力结果影响不大;基坑平面尺寸越大,两者的变形结果差别越明显,改进法更能反映平面尺寸对基坑变形的影响     

考虑附加应力作用的桩锚支护结构稳定性与位移关系研究

桩锚支护结构应用日益广泛,然而在基坑开挖过程中,基于锚杆预应力的基坑稳定性与位移的量化关系尚未解决。同时考虑锚杆预应力引起的附加应力对基坑稳定性和位移的影响,分别得到预应力与桩锚支护结构基坑整体稳定性安全系数、水平位移的计算公式,以及基坑整体稳定性安全系数与水平位移二者之间的关系表达式;通过典型基坑工程实例与现行通用基坑设计软件计算结果进行对比。结果表明：（1）将预应力以附加应力形式来计算基坑整体稳定性安全系数,安全系数随着预应力增加而增加,二者呈非线性关系;（2）以预应力在土体中产生的附加应力形式来计算桩锚支护结构水平位移,支护结构水平位移随着预应力增加而减小,二者呈非线性关系;（3）给出的支护结构稳定性安全系数和支护结构水平位移之间的关系表达式,更加符合理论与工程实际;（4）现行桩锚支护结构设计偏于保守,考虑预应力的基坑稳定性和位移计算方法,仍需根据大量工程实践进行验证与修正。（5）首次考虑附加应力作用的桩锚支护结构稳定性计算与水平位移关系研究,可为基坑开挖过程中的动态稳定性评价提供理论依据。     

不平衡堆载作用下深基坑开挖支护结构性状研究

为了深入研究深基坑开挖中不平衡堆载作用下支护结构的内力和变形,运用岩土工程有限元软件PLAXIS模拟了不平衡堆载下深基坑开挖全过程。计算结果表明,在不平衡堆载情况下,基坑两侧围护结构内力、位移都存在较大差异,在设计时需要分别考虑支护结构参数。同时,通过大量工况的计算比较,定性地总结出了一些基本规律,为不平衡堆载作用下基坑支护结构的设计提供有益的参考。     

基坑开挖及降水引起下卧隧道变形的解析解

基坑开挖及降水打破周围土层的平衡应力场,对下卧盾构隧道造成不良影响。采用两阶段分析法提出了基坑开挖及降水共同作用引起的下卧隧道纵向变形解析解。在第1阶段采用Mindlin弹性解与有效应力原理分别计算出基坑开挖与降水对下卧隧道造成的附加应力;第2阶段将盾构隧道视为Timoshenko梁搁置在Pasternak地基模拟隧道与土的相互作用,通过叠加法推导出隧道纵向变形解析解。通过与工程实例监测数据的对比,验证了方法的正确性,并进一步分析了基坑开挖长度、宽度、深度、隧道埋深、水位降深及与基坑相对位置等因素对隧道纵向位移的影响。结果表明：随着基坑开挖长度、宽度和深度的增加,隧道最大隆起值均明显增大;隧道变形随着隧道埋深的增加而减小;坑内水位降深的增加将导致隧道隆起值减小而沉降值增大;随着隧道轴线与基坑中心距离的增加,可依次为隆起值减小区、沉降值增大区及沉降值减小区。     

双排桩-锚杆支护的有限元模拟

基坑支护模型往往在计算假定的基础上建立,而依据计算假定建立的模型往往不能得到和实际相符的结果。但有限元软件可以较为真实的模拟基坑开挖的过程中应力和位移的变化情况,是土工数值分析的重要手段。本文运用大型有限元软件ABAQUS建立双排桩-锚杆结构有限元模型,全面的考虑土体的特性、桩土的共同作用及桩间土对支护结构的影响等因素,分析支护结构在土体开挖荷载作用下的内力和变形,为设计和施工提供了参考。     

基坑工程对周边建筑物影响的数值分析

基坑开挖及降水引起周围地面不均匀沉降并导致周围建筑物倾斜、开裂等问题，一直以来都受到人们的关注。在总结当前地面沉降计算方法的基础上，结合具体工程实例采用弹塑性有限单元法模拟基坑支护、降水以及开挖步骤，分析其对周围地面沉降及建筑物的影响。计算分析结果表明，施工支护条件对支护结构周围土体影响较大，考虑降水和不考虑降水计算结果相差20 mm左右，表明抽水引起的变形较大，最后提出了减少沉降的主要措施。     

土钉和桩锚组合式支护体系受力和变形的数值模拟

针对深基坑的土钉和桩锚组合式支护体系,通过数值计算分析基坑开挖过程对支护体系结构的位移、应力及稳定安全系数等的影响,分析基坑开挖过程引起的地层变形规律。对2种基坑支护方案进行计算,其一为采用2道土钉加上1道锚杆的土钉与桩锚组合式结构,其二为采用4道土钉加上3道锚杆的土钉与桩锚组合式结构。根据计算结果,对不同支护方案下基坑的支护效果进行了对比研究,进而分析支护方案的可行性,最后将现场实际采用的支护方案与实测结果进行了比较。     

基于FLAC3D的双排桩-锚杆复合支护结构稳定性分析

基坑开挖引起的坑壁侧移、基坑隆起、墙体破坏是工程重要灾害问题。因此,选择恰当的支护形式是确保工程安全、提高工程质量、降低工程造价的关键。本文以某广场基坑支护项目为例,采用双排桩-锚杆复合支护形式,通过现场原位测试获得土体各项物理参数,应用FLAC~(3D)有限差分软件模拟基坑开挖,得到各开挖深度下支护结构的水平位移变化规律,通过数值计算结果与工程监测数据对比分析,验证了数值模型的合理性,对基坑支护方案的优化具有一定的指导意义。     

桩锚支护结构设计及支护结构变形监测分析

结合北京一个基坑支护工程,从设计角度就桩锚支护结构在基坑支护中的应用及变形控制进行了阐述。根据受力情况,护坡桩主筋配筋采用不均匀布置方式,结合工程、支护结构特点分段配筋;为了满足基坑安全及现场施工用地,砖墙设计时,在砖墙中部增设混凝土腰梁;护坡桩施工中,运用不同的施工工艺,保证了护坡范围内古树的生命安全。从基坑开挖监测角度,对支护结构顶部水平位移进行了监测,对周边建（构）筑物进行了沉降监测,同时对锚杆进行了检测与监测。结果分析表明,基坑水平及垂直变形量均在设计控制范围内,基坑整体稳定,桩锚支护结构对变形起到了有效的控制作用。     

岩石空心圆柱扭剪仪研制的重点问题及研究进展

随着深部岩体工程的发展,开挖卸荷导致的应力主轴旋转问题引起了广泛关注。首先,分析总结了岩体工程中存在的应力主轴旋转问题及其对岩体工程稳定性的影响;其次,介绍了土体空心圆柱扭剪仪的发展现状及其特点,从荷载的施加方式、试样尺寸两个方面指出了研制岩石空心圆柱扭剪仪的关键问题,并与土体空心圆柱扭剪仪进行了对比,提出了新的扭矩施加技术和合理的岩石空心圆柱试样尺寸;最后,总结概括了考虑应力主轴旋转的土体本构模型的研究成果,并对考虑应力主轴旋转的岩石本构关系的研究进行了展望。该工作将对岩石空心圆柱扭剪仪的研制和相关理论的研究提供一定的参考和指导。     

桩板结构桩-板-土相互作用模型试验研究

为了明确桩板结构桩-板-土体相互作用机制,基于推导的相似理论,制作了桩板结构在2种跨度、有无板下土体支承等不同条件下的竖向分级加载试验和水平加载试验,系统研究了桩板结构桩-板-土相互作用力学特性。初步得出以下结论：（1）板-土相互作用对桩板结构的受力影响明显。当不考虑板下土体支承作用时,板的位移、应力、桩的受力、板-土接触压力等都会明显增大,且跨度越大,影响越明显。表明目前在工程设计时不考虑板下土体的支承作用进行设计,偏于保守。因此,建议桩板结构在设计时应考虑板下路基土体的支承作用。（2）在横向荷载作用下,桩-土相互作用明显,其主要作用区域在桩的上部1/2范围内。同时试验表明,板的跨度对桩-土相互作用影响较小,但对板的横向位移影响较大,且桩板结构的跨度越大,在横向力作用下,板的弯拉应力也越大。因此,建议在进行桩板结构跨度设计时,应检算横向荷载作用下板的拉应力指标。     

浅埋偏压隧道洞口施工技术及稳定性分析研究

龙潭隧道是沪－蓉高速公路工程的控制性工程。地质条件复杂,集浅埋、偏压、涌水、涌泥、岩爆等地质问题于一身,是典型的复杂条件下的长大公路隧道。隧道洞口段处在浅埋偏压段时,施工难度相当大。从隧道开挖与支护的安全性出发,论述了浅埋偏压隧道的设计与施工情况。以右线出洞口为例,采用三维快速拉格朗日差分法(FLAC3D),对其施工开挖过程及支护进行了模拟。通过对开挖支护后围岩的应力场、位移场及塑性区特征的分析,得出了一些建设性的结论,对工程的施工具有指导意义。     

支点法分析桩锚体系及基于监测的参数反演

以变形作为控制条件的基坑支护结构设计是一个十分复杂的工程问题,由于支点法具有计算模式明确、过程简单的优点,受到广大工程设计人员的欢迎。但是,支点法中土抗力系数卅的选取是工程界的一大难题,在支点法计算中m值选取的准确性直接影响支护结构位移和内力的计算结果,所以将支点法建模及反分析方法应用于实际工程,在开挖过程中考虑了支撑变形的非线性,开发了FORTRAN程序对支护结构进行了反演计算。通过反演分析m值并预测支护结构的变形,实现支护动态设计信息化施工。结果表明,位移反分析法进行深基坑工程中的参数反演与位移预测取得比较好的效果,说明该方法在深基坑开挖反演、预测方面是合理可行的。     

An elastoplastic evaluation of the stress state around cylindrical openings based on a closed multiaxial yield surface

There are many applications encountered in geo‐engineering where there is a need to evaluate the stress state around circular openings. This paper presents a new analytical solution for evaluating the stresses around a cylindrical excavation in an elastoplastic medium defined by the closed MSDP_u yield surface. The proposed formulation takes into account the 3D stress geometry with a plasticity criterion that intersects the mean stress axis on the positive (compressive) and negative (tensile) sides. The results shown here illustrate how the stress distribution and yielding zone size are affected by various influence factors. Validation of the proposed formulation is made by comparing calculated results with existing analytical solutions and a numerical simulation. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

深埋隧洞爆破开挖荷载诱发围岩损伤特性

深埋隧洞爆破开挖荷载构成复杂,对围岩损伤区的孕育发展具有重要影响。利用颗粒流程序（PFC）软件,讨论了不同初始地应力状态下爆炸荷载及地应力瞬态卸载所分别诱发围岩损伤的特性,并通过锦屏2级水电站引水隧洞爆破开挖损伤区检测数据对数值模拟的结果进行了验证。研究表明,爆炸荷载和地应力瞬态卸载所诱发的围岩损伤程度和范围均随地应力量级的提高而显著增大;爆炸荷载作用条件下损伤区的分布有随着侧压力系数的增大而向应力集中区发展的趋势,而地应力瞬态卸荷所产生的围岩破坏以受拉破坏为主,表层损伤区沿开挖呈轮廓均匀分布的趋势;在相同的初始地应力状态下,爆炸荷载和地应力瞬态卸荷所分别诱发的围岩损伤区深度均明显小于实测值,考虑二者的耦合效应后,计算值与实测值基本吻合。这说明这两种荷载是高应力条件下爆破开挖荷载的主要成分,但二者耦合作用对围岩的损伤大于它们单独作用效应的线性叠加。     

三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究

针对含结构面岩石的脆性破坏现象,探讨了三向应力条件下岩体破坏的单结构面控制效应。利用真三轴试验进行验证,系统研究了单结构面岩石试样在模拟工程岩体开挖卸荷与支护应力路径下的力学行为、结构控制规律及声发射（AE）特征等。研究表明,(1) 三向应力下单结构面控制效应能够较好地描述工程岩体的结构控制规律和卸荷、支护作用,真三轴试验结果与理论分析较为吻合;(2) 开挖卸荷与支护应力路径下,含结构面岩体的破坏模式、卸荷的影响和支护效果等均与应力状态、支护强度及结构面参数有关,可依据结构控制规律,从工程方位布置、提供合理支护等方面采取措施避免岩体发生结构控制破坏;(3) 试样的AE活动和能量释放规律与完整试样相似,但结构面的存在降低了试样储能能力,且95 %以上的应变能在破坏阶段突然释放。试验研究和结构面控制效应的探讨对地下工程岩体开挖支护有一定的指导意义。     

微型桩与帷幕的不同位置对复合土钉墙力学性状的影响分析

基坑工程中微型桩和止水帷幕的复合土钉墙是常用支护结构型式之一。在支护结构设计和施工时布置微型桩与帷幕的位置具有随意性,普遍忽视微型桩在帷幕内外不同位置对于支护结构力学性状的影响。依托济南某基坑工程,通过现场测试和数值模拟的对比分析,获得微型桩在帷幕内外两种位置条件下支护结构位移、土钉内力等变形及受力特征。分析结果表明,微型桩的位置不影响支护结构变形和内力的总体趋势;无坡顶荷载时,微型桩位置不同产生的差别不大;存在坡顶荷载时微型桩位于帷幕内侧时支护结构变形较小,土钉受力更合理,建议实际工程优先采用。     

既有路基下浅埋隧道开挖引起地层的位移及应力解析解

在既有公路下进行浅埋隧道开挖会引起地层产生位移,导致地表沉降。为了保证施工安全,快速精确地计算地层位移及应力,有效地控制地表沉降,对浅埋隧道的设计与施工均十分重要。在镜像法原理的基础上,引入等效模量当层法,推导出了在有上覆不同材料下浅埋圆形隧道开挖引起地层位移、应力及地表沉降的解析分布规律。计算结果表明,既有路基下开挖隧道引起地层产生的位移和应力解析解能够很好地体现上层高弹性模量路基对沉降及应力的扩散作用,可以求得隧道开挖后洞周地层包括上覆路基及下卧层中任意位置处的位移、应力以及地表沉降,为在双层地基材料中开挖浅埋隧道引起地层位移及地表沉降的计算提供了一种新的解析方法。