FLAC-3D深基坑的开挖与支护的命令流

FLAC深基坑的开挖与支护的命令流深基坑的开挖与支护的命令流 D3 一 实例工程一 实例工程 南宁地区地层属于河流阶地二元地层 广泛分布有较厚的圆砾层 国内尚无在类似地 层条件下建设地铁基坑的经验 为此 可使用 FLAC3D 对基坑开挖的全过程进行三维数 值模拟 在对比实测数据的基础上 总结圆砾层中地铁车站深基坑的地下连续墙水平变形 及周围地表沉降变形特征 该基坑位于大学路与明秀路交叉路口处 沿大学东路东西向布置 车站基坑长 465m 标准断面宽度为 20 7m 为地下两层式结构 底板埋深为 15 535m 相对地面 顶板覆土 厚度大于 3m 本工程主体建筑面积 21163 6m2 主要结构形式为双柱三跨框架箱型结构 本工程所处的大学路为南宁市东西向的主要交通枢纽 车流量大 人流密集 地面条件复 杂 基坑施工采用明挖顺作法施工 围护结构为 800mm 厚地下连续墙 内撑 三道内支撑 加一道换撑 的支护体系 第一道支撑采用钢筋混凝土支撑 尺寸为 800 900mm 冠梁 同时作为第一道钢筋混凝土支撑的围檩 第二 三道支撑及换撑使用钢支撑并施加预加力 直径为 609mm 壁厚为 t 16mm 斜撑段采用 800 1000mm 钢筋砼腰梁 其余为 2 I45C 钢围檩 2 模型建立模型建立 建模工作由两部分组成 实体模型部分 包括土体和地下连续墙 结构单元部分 包 括混凝土支撑和钢支撑 根据对称性原理 拟选取 1 2 的实际工程尺寸进行分析 考虑到实际的基坑长度将近 500m 根据以往的经验 选取全部长度的一半虽然能够得到满意的结果 但是由于中间部 分的基坑基本处于同样的受力状态 这样会使大部分的计算长度变为重复的计算 降低了 计算效率 根据初步计算结果和经验 最终确定的基坑尺寸为 宽度取基坑的最大宽度 24m 开挖深度 19m 基坑长度 36m 根据地勘报告 合并相似土层 模型中共划分了 7 个土层 在 FLAC3D 中 围护结构可以用衬砌单元 liner 或实体单元模拟 根据 Zdravdovi 的 研究 在二维平面基坑模拟中 分别采用实体单元和梁单元 相当于三维模型中的衬砌单元 计 算所产生的墙体变形差别小于 4 而引起地表沉降的主要原因是围护结构变形造成的地 层损失 可见上述两种方法计算结果的差别可忽略不计 相比于衬砌单元 liner 实体单元 物理模型清晰 参数相对较少且容易确定 因此本例围护结构采用实体单元模拟 模型的范围必须要足够大以覆盖基坑开挖可能影响的区域 同时又要兼顾计算效率 根据现行国家和个地方规范的要求 参考已有的研究成果 影响范围为 4 倍开挖深度 整 个模型的尺寸为 96 144 39 长 宽 高 m 为减少不必要的网格 网格划分原则 为基坑附近密集 远处稀疏 模型共有节点 10890 个 单元 9408 个 模型如图所示 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 2 M odel Perspective 10 08 32 W ed Apr 16 2014 Center X 1 889e 001 Y 8 953e 000 Z 1 123e 001 Rotation X 40 000 Y 0 000 Z 290 000 Dist 3 114e 002M ag 0 512 Ang 22 500 B lock G roup exc wall nearsoil farsoil 图 建立模型 命令流如下 n 开挖土体 gen zone brick size 12 4 10 p0 0 0 0 p1 36 0 0 p2 0 12 0 p3 0 0 19 开挖下部土体 gen zone brick size 12 4 4 p0 0 0 20 p1 36 0 20 p2 0 12 20 p3 0 0 0 group exc 实体地连墙 gen zone brick size 12 1 10 p0 0 12 0 p1 36 12 0 p2 0 12 8 0 p3 0 12 19 gen zone brick size 12 1 4 p0 0 12 20 p1 36 12 20 p2 0 12 8 20 p3 0 12 0 gen zone brick size 1 4 10 p0 0 8 0 0 p1 0 0 0 p2 0 8 12 0 p3 0 8 0 19 gen zone brick size 1 4 4 p0 0 8 0 20 p1 0 0 20 p2 0 8 12 20 p3 0 8 0 0 gen zone brick size 1 1 10 p0 0 8 12 0 p1 0 12 0 p2 0 8 12 8 0 p3 0 8 12 19 gen zone brick size 1 1 4 p0 0 8 12 20 p1 0 12 20 p2 0 8 12 8 20 p3 0 8 12 0 group wall range group exc not 土体 gen zone brick size 12 5 10 p0 0 12 8 0 p1 36 12 8 0 p2 0 32 0 p3 0 12 8 19 gen zone brick size 1 5 10 p0 0 8 12 8 0 p1 0 12 8 0 p2 0 8 32 0 p3 0 8 12 8 19 gen zone brick size 5 5 10 p0 20 8 12 8 0 p1 0 8 12 8 0 p2 20 8 32 0 p3 20 8 12 8 19 gen zone brick size 5 1 10 p0 20 8 12 0 p1 0 8 12 0 p2 20 8 12 8 0 p3 20 8 12 19 gen zone brick size 5 4 10 p0 20 8 0 0 p1 0 8 0 0 p2 20 8 12 0 p3 20 8 0 19 gen zone brick size 12 5 4 p0 0 12 8 20 p1 36 12 8 20 p2 0 32 20 p3 0 12 8 0 gen zone brick size 1 5 4 p0 0 8 12 8 20 p1 0 12 8 20 p2 0 8 32 20 p3 0 8 12 8 0 gen zone brick size 5 5 4 p0 20 8 12 8 20 p1 0 8 12 8 20 p2 20 8 32 20 p3 20 8 12 8 0 gen zone brick size 5 1 4 p0 20 8 12 20 p1 0 8 12 20 p2 20 8 12 8 20 p3 20 8 12 0 gen zone brick size 5 4 4 p0 20 8 0 20 p1 0 8 0 20 p2 20 8 12 20 p3 20 8 0 0 group nearsoil range group exc not group wall not gen zone brick size 12 9 10 p0 0 32 0 p1 36 32 0 p2 0 92 0 p3 0 32 19 gen zone brick size 1 9 10 p0 0 8 32 0 p1 0 32 0 p2 0 8 92 0 p3 0 8 32 19 gen zone brick size 5 9 10 p0 20 8 32 0 p1 0 8 32 0 p2 20 8 92 0 p3 20 8 32 19 gen zone brick size 3 9 10 p0 60 32 0 p1 20 8 32 0 p2 60 92 0 p3 60 32 19 gen zone brick size 3 5 10 p0 60 12 8 0 p1 20 8 12 8 0 p2 60 32 0 p3 60 12 8 19 gen zone brick size 3 1 10 p0 60 12 0 p1 20 8 12 0 p2 60 12 8 0 p3 60 12 19 gen zone brick size 3 4 10 p0 60 0 0 p1 20 8 0 0 p2 60 12 0 p3 60 0 19 深部土体 gen zone brick size 12 9 4 p0 0 32 20 p1 36 32 20 p2 0 92 20 p3 0 32 0 gen zone brick size 1 9 4 p0 0 8 32 20 p1 0 32 20 p2 0 8 92 20 p3 0 8 32 0 gen zone brick size 5 9 4 p0 20 8 32 20 p1 0 8 32 20 p2 20 8 92 20 p3 20 8 32 0 gen zone brick size 3 9 4 p0 60 32 20 p1 20 8 32 20 p2 60 92 20 p3 60 32 0 gen zone brick size 3 5 4 p0 60 12 8 20 p1 20 8 12 8 20 p2 60 32 20 p3 60 12 8 0 gen zone brick size 3 1 4 p0 60 12 20 p1 20 8 12 20 p2 60 12 8 20 p3 60 12 0 gen zone brick size 3 4 4 p0 60 0 20 p1 20 8 0 20 p2 60 12 20 p3 60 0 0 group farsoil range group exc not group wall not group nearsoil not gen merge 0 01 plot block group 镜像对称 gen zone ref nor 0 1 0 显示坐标轴 plot add axes red 边界条件 fix x range x 60 1 59 9 fix x range x 35 9 36 1 fix y range y 91 9 92 1 fix y range y 91 9 92 1 fix z range z 20 1 19 9 重力 set grav 0 0 9 81 土体材料属性 model mohr 填土 pro bulk 6e6 she 2 22e6 fric 9 coh 20000 dens 1850 range z 16 9 19 1 淤泥质土 pro bulk 3e6 she 1 07e6 fric 4 coh 5000 dens 1830 range z 12 9 17 1 粘土 pro bulk 12e6 she 4 62e6 fric 15 coh 27500 dens 1970 range z 10 9 13 1 粉土 pro bulk 10e6 she 3 8e6 fric 18 coh 8000 dens 2000 range z 8 9 11 1 中砂 粗砂 砾砂 pro bulk 25e6 she 9 68e6 fric 30 coh 0 dens 2050 range z 2 9 9 1 圆砾层 pro bulk 32e6 she 12 8e6 fric 32 coh 0 dens 2200 range z 4 1 3 1 泥岩 pro bulk 50e6 she 22 5e6 fric 70 coh 0 dens 2200 range z 21 1 3 9 给地连墙赋本构 属性 m e range group wall ini density 2500 range group wall pro young 40e9 poisson 0 167 range group wall 计算初始平衡 plot set rotation 20 0 30 set mech ratio 1e 4 plot con szz Solve Save inidis0 sav 保存初始平衡 后面再调用 通过上述命令流可得如下图所示 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 1940 M odel Perspective 10 11 50 W ed Apr 16 2014 Center X 9 121e 000 Y 6 443e 000 Z 1 123e 001 Rotation X 30 000 Y 0 000 Z 100 000 Dist 3 114e 002M ag 0 512 Ang 22 500 C ontour of SZ Z M agfac 0 000e 000 G radient Calculation 8 1280e 005 to 8 0000e 005 8 0000e 005 to 7 0000e 005 7 0000e 005 to 6 0000e 005 6 0000e 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 8 7313e 004 Interval 1 0e 005 图 初始平衡应力 3 开挖与支护开挖与支护 该工程分四次开挖 架设三道支撑 第一道为钢筋混凝土支撑 第二 三道为钢支撑 故把工程分成四个工况 第一工况 开挖 0 5m 第二工况 开挖 6 7m 架设第一道支撑 第三工况 开挖 11 8m 架设第二道支撑 第四工况 开挖至坑底 19m 架设第三道支撑 命令流如下 工况一命令流 restore inidis0 sav 恢复前面的初始平衡 速度 位移 塑性区归零 开挖前将其清零 initial xdisplacement 0 ydisplacement 0 zdisplacement 0 initial xvelocity 0 yvelocity 0 zvelocity 0 initial state 0 监测内撑轴力 因工况一未架设支撑 故前面用分号隔 开 h id 1 sel beams force Fx cid 1 h id 2 sel beams force Fx cid 2 h id 3 sel beams force Fx cid 3 h id 4 sel beams force Fx cid 7 h id 5 sel beams force Fx cid 8 h id 6 sel beams force Fx cid 9 监测地表沉降 h id 7 gp zdis id 7172 h id 8 gp zdis id 7523 h id 9 gp zdis id 8313 h id 10 gp zdis id 8326 h id 11 gp zdis id 8339 h id 12 gp zdis id 8352 h id 13 gp zdis id 8365 h id 14 gp zdis id 10633 h id 15 gp zdis id 10646 h id 16 gp zdis id 10659 h id 17 gp zdis id 10672 h id 18 gp zdis id 10685 h id 19 gp zdis id 10698 h id 20 gp zdis id 10711 h id 21 gp zdis id 10724 h id 22 gp zdis id 10737 监测地连墙水平位移 中段 h id 41 gp ydis id 7172 h id 42 gp ydis id 7120 h id 43 gp ydis id 7068 h id 44 gp ydis id 7016 h id 45 gp ydis id 6964 h id 46 gp ydis id 6912 h id 47 gp ydis id 6860 h id 48 gp ydis id 6808 h id 49 gp ydis id 6756 h id 50 gp ydis id 6704 h id 51 gp ydis id 6703 h id 52 gp ydis id 7380 h id 53 gp ydis id 7328 h id 54 gp ydis id 7276 h id 55 gp ydis id 7275 边角 h id 56 gp ydis id 704 h id 57 gp ydis id 639 h id 58 gp ydis id 574 h id 59 gp ydis id 509 h id 60 gp ydis id 444 h id 61 gp ydis id 379 h id 62 gp ydis id 314 h id 63 gp ydis id 249 h id 64 gp ydis id 184 h id 65 gp ydis id 108 h id 66 gp ydis id 106 h id 67 gp ydis id 964 h id 68 gp ydis id 899 h id 69 gp ydis id 823 h id 70 gp ydis id 821 开挖 第一步开挖 model null range x 0 36 y 12 12 z 18 5 19 Solve Save stage1 sav 保存工况一 方便下一工况调用 运行上面命令流 得到位移云图 如下所示 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 1941 M odel Perspective 10 25 57 W ed Apr 16 2014 Center X 2 462e 001 Y 1 619e 001 Z 1 916e 000 Rotation X 30 000 Y 0 000 Z 290 000 Dist 3 114e 002M ag 0 512 Ang 22 500 C ontour of Y D isplacem ent M agfac 0 000e 000 2 7710e 007 to 2 5000e 007 2 5000e 007 to 2 0000e 007 2 0000e 007 to 1 5000e 007 1 5000e 007 to 1 0000e 007 1 0000e 007 to 5 0000e 008 5 0000e 008 to 0 0000e 000 0 0000e 000 to 5 0000e 008 5 0000e 008 to 1 0000e 007 1 0000e 007 to 1 5000e 007 1 5000e 007 to 2 0000e 007 2 0000e 007 to 2 2262e 007 Interval 5 0e 008 图 工况一水平位移云图 工况二命令流 restore stage1 sav 第二步开挖 model null range x 0 36 y 12 12 z 12 8 18 5 设置第一道混凝土 beam 内撑 设置斜撑 sel beam begin 3 12 19 end 0 9 19 sel beam begin 6 12 19 end 0 6 19 sel beam begin 9 12 19 end 0 3 19 sel beam begin 3 12 19 end 0 9 19 sel beam begin 6 12 19 end 0 6 19 sel beam begin 9 12 19 end 0 3 19 设置对撑 对撑一 通过结构节点建立结构单元 也可通过坐标 指定建立 然后再删除节点创建新的节点 陈育民书 P150 sel node id 101 12 12 19 sel node id 102 15 12 19 sel node id 103 18 12 19 sel node id 104 15 6 19 sel node id 105 15 6 19 sel node id 106 12 12 19 sel node id 107 15 12 19 sel node id 108 18 12 19 sel beamsel node 101 104 sel beamsel node 102 104 sel beamsel node 103 104 sel beamsel node 104 105 sel beamsel node 106 105 sel beamsel node 107 105 sel beamsel node 108 105 sel link id 101 101 target zone sel link id 102 102 target zone sel link id 103 103 target zone sel link id 104 106 target zone sel link id 105 107 target zone sel link id 106 108 target zone 对撑二 sel node id 109 21 12 19 sel node id 110 24 12 19 sel node id 111 27 12 19 sel node id 112 24 6 19 sel node id 113 24 6 19 sel node id 114 21 12 19 sel node id 115 24 12 19 sel node id 116 27 12 19 sel beamsel node 109 112 sel beamsel node 110 112 sel beamsel node 111 112 sel beamsel node 112 113 sel beamsel node 114 113 sel beamsel node 115 113 sel beamsel node 116 113 sel link id 107 109 target zone sel link id 108 110 target zone sel link id 109 111 target zone sel link id 110 114 target zone sel link id 111 115 target zone sel link id 112 116 target zone 对撑三 sel node id 117 30 12 19 sel node id 118 33 12 19 sel node id 119 36 12 19 sel node id 120 33 6 19 sel node id 121 33 6 19 sel node id 122 30 12 19 sel node id 123 33 12 19 sel node id 124 36 12 19 sel beamsel node 117 120 sel beamsel node 118 120 sel beamsel node 119 120 sel beamsel node 120 121 sel beamsel node 122 121 sel beamsel node 123 121 sel beamsel node 124 121 sel link id 113 117 target zone sel link id 114 118 target zone sel link id 115 119 target zone sel link id 116 122 target zone sel link id 117 123 target zone sel link id 118 124 target zone 内撑赋属性 Sel beam prop emod 32e9 nu 0 167 sel beam prop XCArea 7 2e 1 XCIz 4 86e 2 XCIy 3 48e 2 XCJ 0 0 监测内撑轴力 h id 1 sel beams force Fx cid 1 h id 2 sel beams force Fx cid 2 h id 3 sel beams force Fx cid 3 h id 4 sel beams force Fx cid 7 h id 5 sel beams force Fx cid 8 h id 6 sel beams force Fx cid 9 显示结构单元 plot con zdisp plot add sel geom node off plot add sel beam force fx plot set rot 40 0 280 Solve Save stage2 sav 保存工况二 方便下一工况调用 运行上面命令流 得到位移云图 如下所示 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 3625 M odel Perspective 10 31 45 W ed Apr 16 2014 Center X 1 845e 001 Y 9 395e 000 Z 5 000e 001 Rotation X 40 000 Y 0 000 Z 280 000 Dist 3 114e 002M ag 0 512 Ang 22 500 C ontour of Y D isplacem ent M agfac 0 000e 000 7 3768e 003 to 6 0000e 003 6 0000e 003 to 4 0000e 003 4 0000e 003 to 2 0000e 003 2 0000e 003 to 0 0000e 000 0 0000e 000 to 2 0000e 003 2 0000e 003 to 4 0000e 003 4 0000e 003 to 6 0000e 003 6 0000e 003 to 7 3931e 003 Interval 2 0e 003 SE L G eom etry M agfac 0 000e 000 beam Force Fx M agfac 0 000e 000 positive wrt SEL system negative wrt SEL system 图 工况二水平位移云图 工况三命令流 restore stage2 sav 第三步开挖 model null range x 0 36 y 12 12 z 6 2 12 8 设置第二道钢 beam 内撑 设置斜撑 sel beam begin 3 12 13 3 end 0 9 13 3 sel beam begin 6 12 13 3 end 0 6 13 3 sel beam begin 9 12 13 3 end 0 3 13 3 sel beam begin 3 12 13 3 end 0 9 13 3 sel beam begin 6 12 13 3 end 0 6 13 3 sel beam begin 9 12 13 3 end 0 3 13 3 设置对撑 sel beam begin 12 12 13 3 end 12 12 13 3 sel beam begin 15 12 13 3 end 15 12 13 3 sel beam begin 18 12 13 3 end 18 12 13 3 sel beam begin 21 12 13 3 end 21 12 13 3 sel beam begin 24 12 13 3 end 24 12 13 3 sel beam begin 27 12 13 3 end 27 12 13 3 sel beam begin 30 12 13 3 end 30 12 13 3 sel beam begin 33 12 13 3 end 33 12 13 3 sel beam begin 36 12 13 3 end 36 12 13 3 内撑赋属性 Sel beam prop emod 200e9 nu 0 3 range z 13 2 13 4 sel beam prop XCArea 3 05e 3 XCIz 1 31e 3 XCIy 1 31e 3 XCJ 0 0 range z 13 2 13 4 显示结构单元 plot con zdisp plot add sel geom node off plot add sel beam force fx plot set rot 40 0 280 Solve Save stage3 sav 保存工况三 方便下一工况调用 运行上面命令流 得到位移云图 如下所示 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 5653 M odel Perspective 10 35 55 W ed Apr 16 2014 Center X 2 040e 001 Y 1 663e 000 Z 5 000e 001 Rotation X 40 000 Y 0 000 Z 280 000 Dist 3 114e 002M ag 0 512 Ang 22 500 C ontour of Y D isplacem ent M agfac 0 000e 000 1 6873e 002 to 1 5000e 002 1 5000e 002 to 1 0000e 002 1 0000e 002 to 5 0000e 003 5 0000e 003 to 0 0000e 000 0 0000e 000 to 5 0000e 003 5 0000e 003 to 1 0000e 002 1 0000e 002 to 1 5000e 002 1 5000e 002 to 1 6582e 002 Interval 5 0e 003 SE L G eom etry M agfac 0 000e 000 beam Force Fx M agfac 0 000e 000 positive wrt SEL system negative wrt SEL system 图 工况三水平位移云图 工况四命令流 restore stage3 sav 第四步开挖 model null range x 0 36 y 12 12 z 0 6 2 设置第三道钢 beam 内撑 设置斜撑 sel beam begin 3 12 6 7 end 0 9 6 7 sel beam begin 6 12 6 7 end 0 6 6 7 sel beam begin 9 12 6 7 end 0 3 6 7 sel beam begin 3 12 6 7 end 0 9 6 7 sel beam begin 6 12 6 7 end 0 6 6 7 sel beam begin 9 12 6 7 end 0 3 6 7 设置对撑 sel beam begin 12 12 6 7 end 12 12 6 7 sel beam begin 15 12 6 7 end 15 12 6 7 sel beam begin 18 12 6 7 end 18 12 6 7 sel beam begin 21 12 6 7 end 21 12 6 7 sel beam begin 24 12 6 7 end 24 12 6 7 sel beam begin 27 12 6 7 end 27 12 6 7 sel beam begin 30 12