摘要：在地鐵深基坑開挖過程中，基坑需要滿足其變形的要求，支護(hù)結(jié)構(gòu)也要滿足其強(qiáng)度要求。本文通過FLAC軟件對深基坑開挖支護(hù)過程進(jìn)行模擬分析，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力以及變形規(guī)律，對地鐵深基坑變形規(guī)律的研究有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：深基坑；模擬分析；變形規(guī)律

1 有限差分分析軟件FLAC簡介

FLAC程序是建立在拉格朗日算法的基礎(chǔ)上，采用顯式算法來得到模型的全部方程和步長解，從而解決材料破壞的問題。FLAC具有強(qiáng)大的后處理功能，用戶可以利用FISH自定義單元形狀，通過基本單元，可以生成復(fù)雜的三維網(wǎng)格進(jìn)行研究分析，對于研究工程地質(zhì)問題具有重要的意義。FLAC廣泛應(yīng)用于隧道工程、拱壩穩(wěn)定分析、礦山工程、支護(hù)設(shè)計(jì)、邊坡穩(wěn)定、地下洞室、施工設(shè)計(jì)等多個領(lǐng)域。

(1)FLAC的優(yōu)點(diǎn)

1)FLAC采用了混合離散方法來模擬材料的屈服或塑性流動特性，這種方法比有限元法中的降階積分更加合理。

2)FLAC可以利用動態(tài)的運(yùn)動方程進(jìn)行求解，這樣FLAC能夠模擬振動、失穩(wěn)及變形等動態(tài)問題。

3)FLAC是采用顯式方法進(jìn)行求解，對于顯式算法來說，非線性本構(gòu)關(guān)系與線性本構(gòu)關(guān)系并沒有算法上的差別，對于已知的應(yīng)變增量，可以很快的求出應(yīng)力增量，并且得到平衡力，采用等容量的內(nèi)存可以求解多單元結(jié)構(gòu)模擬的變形問題。

(2)FLAC的缺點(diǎn)

1)對于線性的問題，F(xiàn)LAC比相應(yīng)的有限元要花費(fèi)更多的時間，所以FLAC在模擬非線性和大變形的問題上是更有效果的。

2)FLAC的收斂速度是由系統(tǒng)的最大固有周期與最小固有周期的比值，這就使得對單元尺寸或者材料彈性模量等問題模擬效率很低。

2 開挖有限元模擬

2.1 整體模型建立

地鐵車站深基坑開挖需要注意基坑開挖的形態(tài)、深度以及土質(zhì)條件等。模型采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。在設(shè)計(jì)模型尺寸的時候需要考慮模型選取的范圍，范圍太大將大量浪費(fèi)資源，模型范圍太小將會導(dǎo)致模擬計(jì)算結(jié)果失真，在實(shí)際工程中起不到指導(dǎo)性的意見。在計(jì)算網(wǎng)格方面一般長寬比要小于5，開挖區(qū)域要進(jìn)行網(wǎng)格加密。建模時，根據(jù)本構(gòu)關(guān)系需要根據(jù)實(shí)際工程給定參數(shù)模量，然后對模型施加合理的邊界條件，進(jìn)而完成模型建立。

2.2 模型的邊界條件

地鐵車站深基坑中的土體是可以在豎直方向上自由沉降變形的，模型表面為自由面，所以對模型左右邊界上施加水平方向的約束，對深基坑底部土體的模擬施加豎直方向的約束。

2.3 初始應(yīng)力

初始應(yīng)力是指基坑在將要開挖時候的應(yīng)力場。在深基坑開挖前存在原始應(yīng)力場，在運(yùn)用FLAC軟件模擬的時候，設(shè)定初始條件，來還原初始應(yīng)力。初始應(yīng)力是由土體的自重應(yīng)力和地面超載而引起的，地面超載現(xiàn)象很少，所以我大多采用自重應(yīng)力場。土體在開挖前本身是穩(wěn)定狀態(tài)，所以我們假設(shè)初始位移場為零。如果初始應(yīng)力設(shè)定不理想，將會對模擬建模結(jié)果過程產(chǎn)生影響。

2.4 計(jì)算工況模擬分析

根據(jù)地鐵車站深基坑開挖施工的實(shí)際情況建立相應(yīng)的施工模擬過程。每一步都先進(jìn)行開挖，利用NULL模型對相應(yīng)的網(wǎng)格單元進(jìn)行開挖模擬，然后運(yùn)用SHELL單元來模擬噴射混凝土，再進(jìn)行支護(hù)，利用BEAM單元對架設(shè)鋼支撐進(jìn)行模擬。在邊界條件的處理上，限制模型右側(cè)x方向的位移和模型底部任何方向的位移，以此反復(fù)，直到開挖完成，終止模型計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 深基坑開挖位移模擬分析

在開挖過程中，擾動土體初始應(yīng)力場，使土體應(yīng)力進(jìn)行重新分布，上部荷載影響坑底土體受力不均勻，基坑底部產(chǎn)生向上的隆起，土體會向上移動，導(dǎo)致周圍土體移動，在土壓力的作用下，基坑產(chǎn)生水平位移。基坑周圍的土體表現(xiàn)為下沉的趨勢。在整個開挖過程的縱向位移云圖中，基坑底部位移較大，隨著開挖深度不斷增加，基坑底部呈現(xiàn)隆起狀態(tài)，位移雖然在不斷增大，但是增大的速率在不斷減小。

開挖水平位移中總結(jié)出基坑開挖過程中水平位移的變化：

(1)在開挖深度不斷增加的情況下，開挖平面上的水平位移在逐步增大，從而使開挖面下的土體發(fā)生位移。在開挖的前三步水平位移變化量較大，這是因?yàn)殚_挖的初期土體應(yīng)力進(jìn)行重新分布，所以產(chǎn)生較大的位移。在第四步開挖中土體應(yīng)力逐漸達(dá)到平衡，所以水平位移變化量較小。

(2)基坑土體水平位移在逐漸增加開挖深度的情況下，也逐步增加。在開挖至深基坑底部的時候，水平位移值達(dá)到最大，最大水平位移發(fā)生在基坑的上半部分。每次開挖的水平位移的變化都是先增大后減小，開挖面的土體向基坑內(nèi)部移動位移較大。

(3)基坑在開挖中，同等深度的水平位移是隨著開挖深度的不斷增加而增加，開挖時候的側(cè)向約束力逐步被解除，所以產(chǎn)生側(cè)向位移。

開挖縱向位移中總結(jié)出基坑開挖過程中縱向位移的變化：

(1)在開挖土體的時候，原始應(yīng)力場被破壞，土體中的應(yīng)力重新分布，基坑側(cè)向的土體有向下運(yùn)動的趨勢。

(2)隨著基坑的開挖深度不斷增加，土體的縱向位移量也逐漸增大?；拥撞坑泻苊黠@的隆起，越靠近基坑的中心，基坑底部隆起增量就越大。地表沉降值隨著與坡頂?shù)木嚯x越來越遠(yuǎn)其沉降量也逐漸減小，直到離邊坡較遠(yuǎn)處沉降量為零。

(3)在基坑開挖的時候我們采用先支護(hù)后開挖的施工工藝，在每次的支護(hù)中我們先進(jìn)行噴射混凝土，其自身有粘結(jié)效應(yīng)，可以對土體起一定得支撐作用。

3.2 深基坑開挖最大應(yīng)力模擬分析

隨著地鐵車站深基坑的開挖，最大主應(yīng)力集中在坑底和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，基坑底部的土體變化速率也在慢慢增加。最大主應(yīng)力都是由上至下逐步遞增的過程，并且方向都是向下，未開挖的部分在同一水平位置上都要比開挖部分的最大主應(yīng)力要小，這符合基坑開挖土體應(yīng)力的變化規(guī)律。在基坑底部靠近邊坡的地方，最大主應(yīng)力相對較大，表現(xiàn)出應(yīng)力集中的現(xiàn)象，體現(xiàn)出該部分受力情況相對復(fù)雜。在基坑開挖與支護(hù)的同時，土體應(yīng)力進(jìn)行重新分布，在開挖時候的部分土體應(yīng)力有顯著增加，但是隨著開挖的進(jìn)行，距離坑底的中心距離不斷增加，其變形在不斷地減小。

結(jié)語：本文通過地鐵車站深基坑施工情況，建立FLAC3D三維有限元模型，對其進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究了開挖施工過程中，深基坑水平位移，縱向位移，最大應(yīng)力，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移以及鋼支撐受力情況。地鐵車站深基坑開挖是一個動態(tài)的過程，在開挖的過程中位移與應(yīng)力在不斷變化，我們在保證基坑開挖安全的情況下，可以利用模擬分析結(jié)果對其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化處理，確立更加合理的開挖深度以及支撐設(shè)計(jì)方案，可以使日后的基坑施工開挖更加具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義，能夠更好的指導(dǎo)施工。

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