济南西客站市政配套工程站前广场基坑工程设计优化研究报告

1、济南西客站市政配套工程站前广场基坑工程设计优化研究研究报告委托单位：济南市勘察测绘研究院完成单位：山 东 大 学完成地点：济南完成时间：2010年8月课题负责人：徐帮树主要完成人：徐帮树 刘日成 王育奎 蔚立元 公铭报告编写人：刘日成、王育奎报告审核人：徐帮树目 录第一章 绪论41.1 研究依据41.2 工程概况41.3 场地工程环境51.4 周边施工影响51.5 工程地质与水文地质条件51.5.1 工程地质条件51.5.2 地形地貌及水文地质条件81.6 支护体系（详见施工图）81.7 降水设计（详见施工图）101.8 研究内容12第二章 计算原理142.1 flac3d计算原理142.2

2、flac3d优点152.3 flac3d的本构模型162.4 flac3d计算中的问题172.5 渗流原理182.6 锚杆单元原理21第三章 支护方案变形规律研究243.1 计算目的243.2 计算说明243.3 方案一283.4 方案二363.5 方案一和方案二对比分析423.6 方案三433.7 方案四503.8 方案三和方案四对比分析553.9 方案五573.10 本章小节64第四章 降水设计方案优化研究664.1 降水方案设计概况（初步设计）664.2 研究内容664.3 计算方案674.4 计算参数及范围674.4.1 计算范围674.4.2 网格划分684.4.3 计算参数694.

3、4.4 边界条件694.5 计算结果及分析704.5.1 每种工况下的降水漏斗曲线704.5.2 不同工况下的相同观测点地下水位值对比曲线744.5.3 不同工况下的渗流矢量与孔隙水压力云图754.6 本章小节82第五章 总 结83附表 各种工况下的关键点地下水位值85附表1 不设止水帷幕时各观测点地下水位值（m）85附表2 止水帷幕深18m时各观测点地下水位值（m）87附表3 止水帷幕深21m时各观测点地下水位值（m）89附表4 止水帷幕深24m时各观测点地下水位值（m）91附表5 止水帷幕深27m时各观测点地下水位值（m）93附表6 止水帷幕深30m时各观测点地下水位值（m）95第一章 绪

4、论1.1 研究依据（1）济南西客站站前广场岩土工程勘察报告（初勘），济南市勘察测绘研究院，2009年5月。（2）济南市西客站站前广场深基坑工程初步设计文件，济南市勘察测绘研究院，2009年8月。（3）济南市西客站站前广场深基坑降水方案设计优化研究合作意向书，济南，2010年4月。（4）济南西客站站前广场基坑工程方案设计优化研究建议书，济南市勘察测绘研究院和山东大学岩土与结构工程研究中心，2010年3月。（5）关于站前广场基坑工程方案设计优化研究建议书的意见，济南西客站市政配套工程设计总体组山东省建筑设计研究院，2010年4月。（6）济南西客站站前广场抽水试验报告，济南市勘察测绘研究院，2009

5、年9月。（7）西客站片区场站一体化（站区配套设施）工程东广场基坑边坡支护，济南市勘察测绘研究院，2010年7月。（8）西客站站前广场基坑工程地下水控制，济南市勘察测绘研究院，2010年6月。1.2 工程概况济南西客站是京沪高铁沿线五个始发站之一，济南西客站市政配套工程是济南市为配合高铁站正常使用而配套建设的工程。该项目包括东广场地下工程、过街地道工程、北综合体、南综合体、人防工程、轨道交通1、6号线土建预留工程等单体工程，共同形成站前广场，南北长约470 m，东西长约346 m，位于站西路以东，济西东路以南，站东路以西，站前路以北的围合区域。站前广场基坑工程挖深大部分13m，北区酒店综合楼双塔

6、和南区高层办公楼区域挖深15.9m，预埋地铁1号线挖深16.61m21.41m，基坑支护范围约470m×350m。根据建设单位开工安排，基坑开挖前南、北广场清除自然地面下约1.5m填土，地铁1#线外伸段部分清除2.0m填土，填土清除范围为基坑开挖上口线外扩一倍基坑开挖深度，因此基坑边坡支护结构按挖深12.5m15.0m设计。本设计为东广场基坑工程的支护结构设计。1.3 场地工程环境站前广场西侧紧邻京沪高铁主站房，主站房西侧为高铁路基。站前广场西侧预留济南轨道交通6号线地下结构外墙距高铁路基约为85m，站前广场西南角距拟建公交枢纽约为50m。其余各侧均为拆迁场地，无地下管线和既有建（构

7、）筑物。1.4 周边施工影响2011年3月31日济南轨道交通1、6号线预埋工程与站前广场同时达到±0.000标高，意味济南轨道交通1、6号线预埋工程与站前广场同时建设。据了解，2010年5月公交枢纽开工，站前广场建设将与公交枢纽基坑同时施工。2010年8月高铁路基铺轨，自2010年8月站前广场建设期间需保证高铁路基"零沉降"。1.5 工程地质与水文地质条件1.5.1 工程地质条件勘区地层上部为第四系全新统河流冲积成因的软可塑粘性土、局部夹中、粗砂、卵石土，下部为第四系更新统山前冲洪积成因的粘性土，夹砂土及卵石土，钻探深度范围内地层可分为9层，自上而下分述如下：填土

8、：分布于场地表层，分为素填土（层）和杂填土（1层）。素填土：黄褐色，可塑，湿，含少量砖屑、灰渣。主要分布于该层中下部。1杂填土：杂色，成分主要为建筑垃圾，砖块、灰渣等，结构松散，位于该层上部。层厚：0.506.20 米，层底标高： 24.2630.06米。粉质粘土：褐黄色，局部黄褐色，可塑，湿，含铁锰氧化物，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性中等。层厚：0.405.00 米，层底深度：1.205.50米，层底标高： 21.6125.11米。粉土：褐黄色，中密，湿，含氧化铁斑点，摇振反应迅速，刀切面粗糙，干强度和韧性低。层厚：0.304.30米，层底深度：2.507.80米，层底标高： 22

9、.6928.49米。粉质粘土：褐黄色、灰黄色，可塑，湿，含铁锰氧化物，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性中等。层厚：3.409.90 米，层底深度：7.3013.90米，层底标高： 17.4421.56米。粉质粘土：浅棕黄色，可塑，湿，含铁锰氧化物，少量姜石，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性中等。该层内主要有4个亚层，分述如下：1粉质粘土：灰黄色，可塑，含铁锰氧化物、少量姜石，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性中等；局部地段姜石含量可达1525%,为粉质粘土混姜石。2砂层：主要为中砂，浅棕黄色，中密，矿物成分为石英、长石，局部为中密粗砂、卵石土。砂层中局部地段为砂粒钙质胶结砂岩，

10、钻探取样呈碎块或短柱状。3粘土：浅棕黄色，可硬塑，湿，含铁锰氧化物，少量姜石，无摇振反应，刀切面光滑，干强度和韧性高。4泥钙质胶结砾岩：浅棕黄色，呈泥钙质胶结，钻探岩芯呈碎块状或短柱状，零星分布。层厚：11.5020.80 米，层底深度：22.0031.00米，层底标高： -0.838.23米。粘土：浅棕黄色，硬塑，湿，含铁锰氧化物及其结核，少量姜石，无摇振反应，刀切面光滑，干强度和韧性高。该层内主要有2个亚层，分述如下：1粉质粘土：浅棕黄色，硬可塑，湿，含铁锰氧化物，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性较高。2砾岩：浅棕黄色棕黄色，泥、钙质胶结，钻探岩芯呈硬块状。层厚：1.6010.00米

11、，层底深度：29.0034.50米，层底标高： -4.481.89米。粉质粘土：浅棕黄色，硬可塑，湿，含铁锰氧化物，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性中等。该层内主要有3个亚层，分述如下：1粘土：浅棕黄色，硬塑，湿，含铁锰氧化物，无摇振反应，刀切面光滑，干强度和韧性高。2细砂：浅棕黄色，中密，矿物成分为石英、长石，局部含少量卵石。主要呈透镜体状零星分布。3砾岩：棕黄色，泥、钙质胶结，钻探揭示呈碎块或短柱状。层厚：7.0022.00米，层底深度：40.0053.70米，层底标高：-23.70-10.00米。卵石、中砂夹粉质粘土：该层以卵石为主，顶部局部分布中砂，中部夹棕黄色硬可塑粉质粘土、胶

12、结砾岩。卵石土：中密，其母岩成分为石灰岩，亚圆形，粒径26厘米，含量6080，混棕黄色粘性土，局部胶结为砾岩。1中砂：棕黄色，中密，矿物成分为石英、长石，混少量卵石，局部为粗砂。2粉质粘土：浅棕黄色，硬可塑，湿，含铁锰氧化物，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性中等。主要呈薄层或透镜体分布于该层中部。层厚：25.8038.00米，层底深度：76.0085.00米，层底标高：-55.36-46.05米。辉长岩残积土：黄绿色，密实，湿，原岩剧烈风化，结构全部破坏，具塑性，手捏呈土状。层厚：2.0010.0米，层底深度：80.0086.00米，层底高程：-56.05-50.00米。强风化辉长岩：黄

13、绿色，密实，湿，矿物成分以普通辉石和斜长石为主。中粒结构。原岩强烈风化呈粗砾砂状和碎块状。该层未揭穿，最大揭露厚度：12.00米，最大揭露深度：92.00米。勘察报告提供相关参数如下表：根据周边类似基坑施工经验，结合基坑规范规程及相关文献，考虑全封闭止水帷幕内土层的降水作用和勘察报告土层相关指标的实验方法，经与勘察单位协调沟通，将土层抗剪强度指标标准值（粘聚力c、内摩擦角）上调10%，作为基坑支护设计力学参数：1.5.2 地形地貌及水文地质条件拟建场地位于黄河、小清河冲积平原的边缘相，场地以北有小清河，以东有腊山河。整个场地地形开阔，地势较平坦，勘探期间测得场地自然地面标高为29.3531.0

14、4米。场区水文地质单元位于西郊玉符河隐伏冲积扇前缘砂、砂砾石富水区。地下水类型为第四系孔隙潜水。主要由大气降水和地下水渗流补给。勘探期间属平水期，在钻孔中测得地下水静止水位埋深3.404.76米，相应标高25.6726.50米，水位随季节性变化较大，变化幅度1.002.00米。1.6 支护体系（详见施工图）（1）北、南广场基坑支护1-1剖面：挖深约12.5m，1:0.8放坡。采用分阶放坡的土钉墙支护型式，设置五道土钉，挂网喷砼；加强段采用预应力锚杆和土钉墙结合的复合土钉墙支护，设置二道土钉、三道预应力锚索，挂网喷砼；（2）北区酒店综合楼双塔和南区高层办公楼区域、预埋地铁1号线外伸端南北侧2-2

15、剖面：挖深约15.0m，1:0.8放坡。采用分阶放坡的土钉墙支护型式，设置六道土钉，挂网喷砼；加强段采用预应力锚杆和土钉墙结合的复合土钉墙支护，设置二道土钉、四道预应力锚索，挂网喷砼；（3）预埋地铁1号线外伸端东侧（横穿站东路，邻近临时道路）3-3剖面：挖深约15.0m，1:0.5放坡。采用预应力锚杆及土钉墙结合的复合土钉墙支护，设置七道土钉、三道预应力锚索，挂网喷砼；（4）预埋地铁1号线站前广场内的基坑，在站前广场开挖深度12.5m的基础上，再下挖2.61m7.41m，采用1:0.41:1坡率，挂网喷砼，见剖面设计4-4、5-5、6-6；（5）预埋地铁6号线站前广场内的结构，与站前广场同步建

16、设，地铁6号线地下工程施工形成的一阶基坑东侧边坡将挖除，南、北侧将与站前南、北广场基坑边坡连接。保留先期施工一阶基坑南、北侧部分边坡，按1：1.5坡率挖除南、北两侧一阶基坑形成的边坡，挂网喷砼。（6）主要结构材料水泥-p.042.5普通硅酸盐水泥钢筋-：hpb235 强度标准值fyk=235n/mm² ：hrb335 强度标准值fyk=335n/mm² ：hrb400 强度标准值fyk=400n/mm²钢绞线-s15.2 强度标准值fptk=1860n/mm²锚孔注浆材料-水泥浆，强度不低于m20喷射混凝土-强度等级c20（7）主要参数1） 土钉土钉长度

17、6.015.0m，钻孔直径130mm，杆体材料20、28。取六根土钉做基本实验，获取土钉承载力设计值。2）预应力锚杆（索）锚杆长度12.015.0m，钻孔直径150mm，杆体材料s15.2（钢绞线）。取三根预应力锚杆做基本实验和蠕变实验，获取锚杆承载力设计值。3）腰梁腰梁采用钢肩梁施工工艺，材料选用槽钢218a。4）面层土钉墙支护、放坡部分：面层钢筋网按6.5250×250布置，喷砼c20，厚度80mm。加强段和地铁1#线外伸部分端部：面层钢筋网按8200×200布置，喷砼c20，厚度100mm。1.7 降水设计（详见施工图）综合考虑场地工程地质、水文地质条件，基坑周边环境

18、及基坑深度，依据基坑工程有关技术规范、规程，结合周边类似工程经验，本工程采用全封闭止水帷幕的截水方案，大口径管井坑内降水，坑外回灌实现基坑开挖和主体建设必须的地下水控制目标。1.7.1 基坑设计分区及有关参数（1）本基坑分四个区域，（一）北广场基坑；（二）南广场基坑；（三）预埋地铁6号线与站前广场内的基坑；（四）站前广场内预埋地铁1号线基坑。（2）基坑侧壁安全等级为一级。（3）本工程为临时性工程，设计时限12个月。（4）基坑底边线距地下室外墙线按1.2m2.0m考虑。（5）基坑开挖边缘2m范围内无堆载，2m以外至一倍基坑开挖深度范围内按15kpa设计；若需超过以上荷载请通知设计修正。（6）地层

19、综合渗透系数k=12m/d。1.7.2 地下水控制体系1.7.2.1 止水帷幕为避免水位下降给周边道路及环境造成不利影响，保证高铁路基"零"沉降，采用高压摆喷/旋喷止水帷幕，形成封闭式止水帷幕防渗板墙，构造有效的防护体系。（1）止水帷幕设计：北区酒店综合体双塔区域、南区高层办公楼区域、地铁1#线外伸部分的帷幕采用高压旋喷，桩径1100mm，间距800mm。桩顶位于自然地坪下4.0m，帷幕有效长度25m，自自然地平起算帷幕深度不小于25m，以封闭砂卵层，控制管涌、流砂；其他区域采用高压摆喷，摆角30度，间距1000mm，喷射帷幕墙厚度和搭接长度均不小于200mm。桩顶位于自然

20、地坪下4.0m，帷幕有效长度20m，自自然地平起算帷幕深度不小于24m。（2） 主要结构材料水泥-p.o42.5普硅水泥（3） 主要参数水泥浆：灌浆压力0.50.6mpa、进浆量6080l/min、浆液比重/1.501.70g/cm3；或者控制水灰比0.81.0。根据需要添加早强剂。高压水：压力3640mpa、流量75l/min；压缩空气：压力0.70.8mpa、流量0.81.2m3/min；三管提升速度：812cm/min；摆角：300；摆动速度:810r/min；钻孔施工时钻孔偏斜率应控制在1%以内；为保证止水帷幕施工效果，建议进行试喷试验，以有效验证、明确帷幕设计施工参数。1.7.2.2

21、 降水方案场地地下水埋深较浅，地下水较丰富，在基坑开挖支护和基础施工过程中采用降水措施抽排地下水。（1）采用大口径管井降水井进行降水作业基坑周边布置降水井，井间距为20m；坑内设置疏干井，井间距为36m×36m（4倍柱网距）。北广场：周边布置降水井，共21眼，设计井深为20m。坑内设置疏干井，共31眼，北区酒店综合体塔楼区域（5#、6#、7#疏干井）井深23m，其他均20m。南广场：周边布置降水井，共23眼，设计井深均为20m。坑内设置疏干井，共32眼。南区高层办公楼区域（24#、25#、31#、32#疏干井）井深23m，其他均20m。预埋地铁6号线站前广场范围内区域，保留地铁6号线

22、施工用井，按需降水，保证站前广场范围内地铁六号线建设需要。预埋地铁1号线共布置降水井23眼，其中18号井井深26m，9-23号井井深21m。降水井(疏干井)井径700mm，井管直径500mm，井管采用混凝土无砂滤水管，管壁外侧回填滤料。（2）基坑坑底、坑顶设置排水沟、集水盲沟、集水井，配合管井降水，控制地下水位。基坑底部排水沟按盲沟设置，宽深300×300mm，集水井尺寸500×500×500mm，排水沟集水井均距坡脚300mm。（3）回灌措施保证帷幕外地下水位稳定为减少基坑降水引起帷幕外地下水绕流，导致地面不均匀沉降，止水帷幕外侧设置33眼回灌观测井；井深设计为

23、13.0m，水平间距约30m，井径700mm，井管径500mm。（4）控制降水速度和强度，减少长期降水和绕渗对周边环境的不利影响。（5）做好雨季期间基坑坑顶地面硬化以及坑内、外积水的有组织排放；（6）疏干井避开主体建筑基础桩基位置，若位置与桩位冲突，降水井可在2m范围内移动。1.8 研究内容（1）基坑复合土钉墙支护变形规律研究设计单位依据建筑基坑支护技术规程（jgj 120-99），已对基坑支护设计内部稳定、外部稳定、局部抗拉和混凝土喷射面层进行了强度验算。西客站基坑工程是重要的临时工程，为合理评估基坑开挖引起的变形及地表沉降，确保基坑开挖对周围环境和建筑物的影响控制在允许范围之内。我们采用f

24、lac3d对放坡土钉墙、复合土钉墙设计方案进行验算。 绘制地表沉降曲线，分析各设计剖面基坑开挖引起的地表沉降规律，沉降最大值及出现的位置。基坑开挖引起的地表沉降影响范围。 绘制基坑边坡水平变形曲线，分析基坑侧向变形规律，找出各剖面基坑变形最大值。对一般支护设计剖面、支护设计剖面加强段进行对比分析，研究预应力锚索在加强控制基坑水平变形中的作用。 研究坑底隆起变形规律。预测各设计剖面基坑开挖施工基坑隆起最大值及出现的位置。（2）降水方案设计优化研究根据济南西客站站前广场的基坑工程地质、水文地质、周边环境、地下管线、基坑设计深度等基础资料，确保高铁路基“零”沉降，开展降水方案设计优化研究： 根据设计

25、规范和经验，初步提出几种止水帷幕、降水井设计方案及相应参数； 针对不同设计方案，对不同止水帷幕深度、止水帷幕漏水情形，开展三维基坑开挖过程的三维地下水渗流数值模拟研究。 对不同工况下计算得到地下水位变化趋势进行分析，评估降水效果，给出较优的基坑降水设计方案，确保高铁路基“零”沉降。第二章 计算原理根据地质勘察报告、设计图纸和研究目标，我们选用flac3d开展数值模拟研究。三维连续体快速拉格朗日分析（flac3d）是由美国itasca consulting group inc开发的三维显式有限差分法程序，它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。flac3d将计算区域划分为若干六面体单元，每个单元

26、在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形，这就是所谓的拉格朗日算法，这种算法非常适合于模拟大变形问题。flac3d采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、流固耦合过程、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。2.1 flac3d计算原理(1) 空间导数的有限差分近似在flac3d中采用了混合离散方法，区域被划分为常应变六面体单元的集合体，而在计算过程中，程序内部又将每个六面体分为以六面体角点为角点

27、的常应变四面体的集合体，变量均在四面体上进行计算，六面体单元的应力、应变取值为其内四面体的体积加权平均。如图5.2所示四面体，节点编号为1到4，第n面表示与节点n相对的面，设其内任一点的速率分量为，则可由高斯公式可得： (2.1)其中v为四面体的体积，s为四面体的外表面，n为外表面的单位法向向量分量。(2) 运动方程flac3d以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上，然后通过运动方程在时域内进行求解。节点运动方程可表示为如下形式： (2.2)其中为在t时刻l节点的在i方向的不平衡力分量，可由虚功原理导出。为l节点的集中质量，在分析静态问题时，采用虚拟质量以保证数值稳定，而在分析动态问题时则

28、采用实际的集中质量。图2.1 四面体(3) 阻尼力对于静态问题，flac3d在式(3)的不平衡力中加入了非粘性阻尼，阻尼力表示为： (2.3)其中：a为阻尼系数，其默认值为0.8。(4) 计算循环flac3d的计算循环如图5.3所示。运动方程对每个节点 ·由应力及外力利用虚功原理求节点不平衡力 ·由不平衡力求节点速率本构方程对每个单元 ·由节点速率求应变增量 ·由应变增量求应力增量及总应力图2.2 计算循环2.2 flac3d优点flac3d与有限元法相比有如下优点：（1）flac3d采用混合离散方法来模拟材料的屈服或塑性流动行为，这种方法比有限元方法中

29、通常采用的降阶积分更为合理。（2）flac3d利用动态的运动方程进行求解，即使问题在本质上是静力问题。这使得flac3d很容易模拟动态问题，如振动、失稳、大变形等。（3）flac3d采用显式方法进行求解，对显式法来说非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的差别，对于已知的应变增量，可很方便地求出应力增量，并得到不平衡力，就同实际中的物理过程一样，可以跟踪系统的演化过程。而有限元采用的隐式解法对于非线性问题需进行迭代计算，比线性问题要耗费许多的计算时间，而且无法跟踪系统的演化过程。此外，显式法不形成刚度矩阵，每一步计算所需计算机内存很小，使用较少的计算机内存就可以模拟大量的单元，特别适于在微机上

30、操作。而且在求解大变形过程中，因每一时步变形很小，可采用小变形本构关系，只需将各时步的变形叠加，即得到了大变形。这就避免了通常大变形问题中推导大变形本构关系及其应用中所遇到的麻烦，也使它的求解过程与小变形问题一样。2.3 flac3d的本构模型(1) flac3d包含了10种弹塑性材料本构模型，即：·空单元模型。·三种弹性模型：各向同性、横向各向同性、正交各向异性。·六种塑性模型：drucker-prager准则、摩尔-库仑准则、应变硬化/软化模型、多节理模型、双线性应变硬化/软化多节理模型、修正的剑桥模型。每个单元可以有不同的材料模型或参数，材料参数可以为线性分

31、布或随机分布。(2) flac3d有五种计算模式。·静力模式。这是flac3d的默认模式，通过动态松弛方法得到静态解。·动力模式。用户可以直接输入加速度、速度或应力波作为系统的边界条件或初始条件，边界可以是吸收边界和自由边界。动力计算可以与渗流问题相耦合。·蠕变模式。有五种蠕变本构模型可供选择以模拟材料的应力应变时间关系：maxwell模型、双指数模型、参考蠕变模型、粘塑性模型、脆盐模型。·渗流模式。可以模拟地下水流、孔隙压力耗散以及可变形孔隙介质与其间的粘性流体的耦合。渗流服从各向同性达西定律，流体和孔隙介质均被看作可变形体。考虑非稳定流，将稳定流看作

32、是非稳定流的特例。边界条件可以是固定孔隙压力或恒定流，可以模拟水源或深井。渗流计算可以与静力、动力或温度计算耦合，也可以单独计算。·温度模式。可以模拟材料中的瞬态热传导以及温度应力。温度计算可以与静力、动力或渗流计算耦合，也可单独计算。(3) flac3d可以模拟多种结构形式。·对于通常的岩体、土体或其他材料实体，用八节点六面体单元模拟。·flac3d包含有四种结构单元：梁单元、锚单元、桩单元、壳单元。可用来模拟岩土工程中的人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等。·flac3d的网格中可以有界面，这种界面将计算网格分割为若干部分，界面

33、两边的网格可以分离，也可以发生滑动，因此，界面可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界。(4) flac3d可以有多种边界条件。边界方位可以任意变化，边界条件可以是速度边界、应力边界，单元内部可以给定初始应力，节点可以给定初始位移、速度等，还可以给定地下水位以计算有效应力，所有给定量都可以具有空间梯度分布。(5) flac3d具有强大的内嵌程序语言fish，使得用户可以定义新的变量或函数，以适应用户的特殊需要。2.4 flac3d计算中的问题（1）地下工程中的模型建立地下工程的数值模拟中一个非常突出的问题就是单元的离散化比较困难。由于地下工程往往体形比较复杂，并且形状大小不一，使得网格的划分成为整个

34、分析过程中的瓶颈。flac3d具有强大的自动三维网格生成器，内部定义了多种基本单元形态，用户还可以用fish自定义单元形态，通过组合基本单元，可以生成非常复杂的三维网格，比如交叉隧洞段。大大降低了地下工程中的网格划分的难度，加快了模型建立的速度。（2）边界条件的处理 应力边界条件flac3d中默认情况下，边界为自由表面（自由表面是一种特殊的应力边界条件）使用其内部命令，可以给出任一边界或部分边界的外力和应力情况。在地球坐标系（x、y、z）中，应力为sxx、syy、szz、sxy、sxz、syz，向量坐标中（d、s、n）中通过法向力、切向力给出应力。 位移边界条件flac3d中不能直接控制位移。

35、实际上，位移并不参与flac的计算。flac通过速度来控制位移。这里所说的速度与物理中的速度概念有一些差别。它实际上是单位计算时步（step）的位移平均值。例如：位移为d，计算时步为n，则速度vd/n。控制位移为零，只需将速度取得很小，计算时步取得很大即可。在flac3d中，可以使用内部命令设定边界的位移条件。（3）初始地应力的模拟在进行开挖或建设前，岩体已经处在一种应力状态下。这种初始状态，就是岩体中的初始应力场。初始应力场主要由岩体自重和地质构造力产生。初始应力场问题很复杂，因为构造应力常常分布极不均匀，而费用昂贵的现场地应力测量只能给出计算范围中少数几个点的地应力值，很难给出准确的应力场

36、。多数情况下，这种初始条件是没有具体的资料。这时，使用flac3d可以通过现有的资料来模拟初始应力场。初始的自重应力场，可以先在自重条件下计算至平衡，然后再将所有的节点位移置零。这时在单元中就已经加了初始的自重应力场。对于初始的构造应力场，需要利用flac3d中内嵌的fish语言编写程序来添加。2.5 渗流原理flac3d可以模拟多孔介质中的流体流动，比如地下水在土体中的渗流问题。flac3d既可以单独进行流体计算，只考虑渗流的作用，也可以将流体计算与力学计算进行耦合，也就是常说的流固耦合计算。比如土体的固结，就是一种典型的流固耦合现象，在土体固结过程中超孔隙水压力的逐渐消散导致了土体发生沉降

37、，在这个过程包含两种力学效应：（1）孔隙水压力的改变导致了有效应力的改变，从而影响土体的力学性能，如有效应力的减小可能使土体达到塑性屈服。（2）土体中的流体会对土体体积的改变产生反作用，表现为流体孔压的变化。flac3d具有强大的渗流计算功能，可以解决完全饱和及有地下水变化的渗流问题。对于地下水问题，flac3d认为地下水位以上的孔压为零，且不考虑气相的作用，这种近似方法对于可忽略毛细作用的材料是适用的。flac3d模拟多孔介质(如土体)中的流体流动时，既可以单独进行流体计算，只考虑渗流的作用，也可以将流体计算与力学计算进行耦合，即常说的流固耦合计算。流固耦合计算考虑孔隙水压力消散引起的岩土体

38、位移变化，这一过程包含两种力学效果：第一，孔隙水压力的变化引起体积应变的变化，进而影响有效应力；第二，应变的改变也会影响孔隙水压力。该软件具有强大的渗流计算功能，可以解决完全饱和及有地下水位变化的渗流问题。flac3d中的渗流计算具有以下特点：(1) 针对不同材料的渗流特点，提供了三种渗流模型：各向同性、各向异性及不透水模型；(2) 不同的单元可以赋予不同的渗流模型和渗流参数；(3) 提供了丰富而又实用的流体边界条件，包括流体压力、涌入量、渗漏量、不可渗透边界、抽水井、点源或体积源等。(4) 计算完全饱和岩土体中的渗流问题，可以采用显式差分法或者隐式差分法；(5) 渗流问题可以和固体(力学)问

39、题、热问题进行耦合；(6) 流体和固体的耦合程度依赖于固体颗粒骨架的压缩程度，用biot系数表示颗粒的可压缩程度。 渗流计算的控制微分方程主要有输运方程、质量守恒方程方程和本构方程。流体的运动用darcy定律来描述，对于均质、各向同性固体和流体密度是常数的情况，这个方程具有如下形式： (2.4)式中qi是渗透流量, p是孔隙压力，是介质关于饱和度s的相对机动系数，f是流体密度，gi是重力的三个分量。 对于小变形，流体质量守恒方程为： (2.5)式中qv是流体单位体积源强度(1/s)，是单位体积孔隙介质的流体体积变化量。流体含量的变化与孔隙压力p、饱和度s、体积应变e和温度t的改变有关，孔隙流体

40、的本构方程为 (2.6)式中m是biot模量(n/m2)，n是孔隙率，是biot系数，是不排水导热系数(1/)，用此来考虑流体和颗粒的热膨胀。flac3d在分析含有孔隙水压力的问题时，根据是否设置流体计算，有渗流模式和无渗流模式两种计算模式。在无渗流模式下，也可以在节点上设置孔隙水压力，但其值保持不变，固体单元的屈服判断由有效应力决定。在渗流模式中，可以进行瞬态渗流计算，孔隙水压力随着浸润线的改变而改变；还可以进行有效应力计算、不排水计算以及完全流固耦合计算。在完全流固耦合情况下，孔隙水压力的改变会产生力学变形，同时体积应变又会导致孔隙水压力的改变。流体模型设置好以后就可以进行参数的赋值，fl

41、ac3d渗流计算中涉及的参数包括单元参数如渗透系数、孔隙率、流体密度和比奥系数，节点参数如流体体积模量、饱和度、抗拉强度和比奥模量。考虑颗粒压缩的情况下，选择比奥模量和比奥系数；而对于颗粒不可压缩的岩土体，则选用流体体积模量和孔隙率。对于理想多孔介质，比奥模量m与流体体积模量kf的关系为： (2.7)其中，k为固体体积模量，而对于室温下的纯水而言kf=2×109pa。这样，对于不可压缩的情况(=1)，有下式 (2.8)flac3d默认情况下模型边界都是不透水边界，即边界上节点与外界没有流体交换，其孔压值可以自由变化。设置孔隙压力固定时表示透水边界条件，流体可以流入(流出)模型边界。对

42、于特定的流体问题，在计算之前首先要进行分析，考察该问题的一些指标，如时标、施加扰动的属性及流固刚度比等，以便于采用合理的分析方法。下面分别进行介绍。时标的概念类似于时间，在流固耦合分析过程中需要考虑流体计算和力学计算两个时标。如果流体进程的时标和问题需要分析的时标的差别很大，则有可能使用简化的不耦合分析方法。力学过程和流体扩撒过程的特征时间分别定义为 (2.9) (2.10)其中，lc为特征长度(模型体积与表面积之比)，ku是不排水体积模量，g为剪切模量，是密度，c是扩撒率。扩撒率定义为渗透系数与储水系数的比值，见下式 (2.11) 扰动是指流固耦合问题中引起系统平衡状态改变的外界条件，包括流

43、体边界条件(如孔隙水压力的改变)和力学边界条件(如荷载的变化)。如果问题中的扰动仅仅是由于孔隙水压力的改变引起的，那么流体进程和力学进程可以不耦合；若是由于力学扰动引起的，则二者耦合程度要考虑流固刚度比的影响。流固刚度比是指流体模量和固体模量之间的比值，定义为： (2.12)如果固体的刚度很大，或流体具有高压缩性，则得出rk较小，称之为相对刚性骨架，可以不进行耦合计算；如果固体模量较小，流体不可压缩，则rk较大，称之为相对柔性骨架，这时需要进行耦合分析。2.6 锚杆单元原理锚单元的轴向行为特性采用一维模型描述，轴向刚度k为 (2.13)式中：a为锚单元的横截面积，e为弹性模量，l为锚单元的长度

44、。由轴向位移增量ut，计算轴向力增量ft：ft=-kut (2.14)其中，ut=（u1b-u1a）·t1+（u2b-u2a）·t2+（u3b-u3a）·t3。式中：uib，uia为节点位移，i=1，2，3；a,b分别为节点a，b；t1，t2，t3分别为锚单元轴线方向的方向余弦。锚单元可以指定其拉伸屈服强度ft和压缩屈服强度fc，单元轴力不能超过强度极限，如图2.3所示。图2.3 锚单元轴向力-变形特性曲线采用弹簧-滑块系统来描述锚杆（索）、砂浆及岩体直接的相互作用关系，如图2.4所示。该模型反映了锚杆（索）与岩体界面（浆体）直接的剪切特性。界面直接可能产生的最大

45、剪切力取决于浆体的剪切刚度，单位厚度浆体的剪切刚度kg为 (2.15)式中：g为浆体的剪切模量；t为浆体环的厚度；d为钢筋索的直径。浆体界面的剪切力g为 (2.16)式中：u为浆体与岩体间的相对位移。浆体单位长度所能承受的最大剪应力为 (2.17)式中：cg为浆体的粘结强度，g'为浆体摩擦角，pg为浆体与锚单元或岩体的实际周长，m为有效围压。界面材料特性假定为理想弹塑性，采用摩尔 - 库仑准则作为屈服准则。每个锚单元均允许沿轴向产生变形并发生屈服。若锚单元两节点与网格节点重合，锚单元与实体单元联结成整体，不产生相对位移；锚单元节点与网格节点不重合时，锚单元与实体元之间产生相对位移，其位

46、移大小与界面模型参数有关。锚杆与岩体间的界面可以发生剪切屈服、产生滑动直至拉拔破坏。图2.4 锚杆单元中的界面力学模型第三章 支护方案变形规律研究3.1 计算目的综合考虑场地工程地质、水文地质条件，基坑周边环境及基坑深度，依据基坑工程有关技术规范、规程，结合周边类似工程经验，拟选择放坡和复合土钉墙支护相结合的形式，既充分利用现有场地尽量放坡，加快先期施工进度，又通过土钉墙、复合土钉墙支护增加边坡刚度。采用分阶放坡土钉墙结构完成东广场基坑边坡支护；采用复合土钉墙承担预埋地铁1号线站前广场东延部分端部基坑边坡支护；同时，考虑基坑空间效应，每隔60m左右设置基坑边坡加强段，增强边坡刚度，通过预应力锚

47、索控制边坡变形。设计单位依据建筑基坑支护技术规程（jgj 120-99），已对基坑支护设计内部稳定、外部稳定、局部抗拉和混凝土喷射面层进行了强度验算。西客站基坑工程是重要的临时工程，为合理评估基坑开挖引起的水平变形及地表沉降，确保基坑开挖对周围环境和建筑物的影响控制在允许范围之内。我们采用flac3d对放坡土钉墙、复合土钉墙设计方案变形规律进行研究。3.2 计算说明(1)计算方案编号为了在报告中叙述方便，对各计算工况进行编号。各计算工况编号如表3.1。表3.1 计算方案编号方案编号对应的设计剖面主要设计参数方案一1-1支护单元挖深约12.5m，1:0.8放坡。采用分阶放坡的土钉墙支护型式，设置

48、五道土钉，挂网喷砼。方案二1-1支护单元加强段加强段采用预应力锚杆和土钉墙结合的复合土钉墙支护，设置二道土钉、三道预应力锚索，挂网喷砼。方案三2-2支护单元挖深约15.0m，1:0.8放坡。采用分阶放坡的土钉墙支护型式，设置六道土钉，挂网喷砼。方案四2-2支护单元加强段加强段采用预应力锚杆和土钉墙结合的复合土钉墙支护，设置二道土钉、四道预应力锚索，挂网喷砼。方案五3-3支护单元挖深约15.0m，1:0.5放坡。采用预应力锚杆及土钉墙结合的复合土钉墙支护，设置七道土钉、三道预应力锚索，挂网喷砼。（2）建模说明工程地质条件复杂，地层分布厚度不均匀。为方便建模工作，做适当的简化处理是允许的。假定地质

49、分层均匀，每层厚度不变。地层土体采用mohr-coulomb弹塑性本构模型，用六结点实体单元模拟。喷层面板采用shell壳单元模拟，线弹性本构模型。土钉和锚杆采用cable杆单元模拟，线弹性本构模型。分布开挖，分步施作土钉、锚杆支护。每层开挖至锚杆位置向下0.5 m，再施工土钉或锚杆。开挖顺序示意如图3.1。图3.1 开挖与支护顺序示意图（3）初始地应力基坑工程埋深较浅，一般不考虑构造地应力的影响。初始地应力只考虑土体自重应力场。采取止水帷幕，基坑周边范围的土体地下水位随排水、开挖等施工过程，水位下降较多。基坑变形分析假定不受地下水位的影响，计算土体取饱和重度。（4） 物理力学参数根据2009

50、年5月济南西客站站前广场岩土工程勘察报告、2010年7西客站片区场站一体化(站区配套设施)工程东广场基坑边坡支护设计选取计算用土体物理力学参数，如表3.2。勘察报告土体力学参数没有提供变形模量、泊松比值。变形模量由压缩模量换算得到，如下式 （3.1） （3.2）式中：为变形模量（mpa）；为压缩模量（mpa）；为泊松比。上述理论关系的与实测值不相符，实测的变形模量往往会大于相应的压缩模量，甚至达到数倍。究其原因，除了由于地基土并不是理想弹性体，其成层性、孔隙率和含水等因素对弹性性质有显著影响外，在室内试验中不可避免地存在土样扰动的问题，破坏了土的天然结构，使得测得的压缩模量偏小（梁发云，200

51、4）。根据统计资料，值可能是值的几倍，一般说来，土愈坚硬则倍数愈大，而软土的值与比较接近（土力学，2005）。通常取，取2.53.5倍。本文取3倍，得到计算用变形模量，如表3.2。表3.2 土体物理力学参数表序号土类型土层厚(m)压缩模量es1-2(mpa)变形模量(mpa)泊松比饱和容重(kn/m3)粘聚力(kpa)内摩擦角(º)1素填土1.54.3913.170.271910102粉质粘土26.9020.700.3019.326.319.43粉土29.1127.330.2819.125.723.44粉质粘土55.7717.310.3219.625.021.95粉质粘土116.83

52、20.490.3019.424.8216粘土108.8026.400.3019.634.224.97粉质粘土1210.1130.330.3019.445.722.9土钉采用hrb335钢筋，强度标准值fyk=335n/mm²。锚杆钻孔注浆材料为水泥浆，强度不低于m20。计算用的土钉力学参数如表3.3。hrb335：屈服强度：335mpa、抗拉强度：445mpa、断后伸长率：17%。弹性模量200gpa，泊松比取0.3。浆体单位长度粘聚力、浆体单位长度上水泥浆刚度参考flac3d使用手册（example application: excavation and support for a

53、 shallow tunnel，flac3d）。表3.3 土钉物理力学参数序号土钉型号密度(kg/m3)弹性模量e(gpa)横截面积a(mm2)浆体粘聚力cg (n/m)浆体摩擦角浆体刚度(n/m/m)浆体周长(mm)压缩强度(kn)拉伸强度(kn)1207800200314.22×105301.75×107408.2105.26139.822287800210615.802×105301.75×107408.2206.29274.03锚杆采用预应力锚索，锚杆长度12.015.0m，钻孔直径150mm，杆体材料s15.2（钢绞线）。计算用的锚杆力学参数如表3.4。弹性模量取195gpa，泊松比取0.3。钢绞线-s15.2，强度标准值fptk=1860n/mm²。表3.4 预就历程锚索物理力学参数序号土钉型号密度(kg/m3)弹性模量e(gpa)横截面积a(mm2)浆体粘聚力cg (n/m)浆体摩擦角浆体刚度(n/m/m)浆体周长(mm)压缩强度(kn)拉伸强度(kn)1自由段7800195181.37111471337.35337.352锚固段7800195181.372×105301.75×107471337.35337.35土钉墙支护、放坡部分：面层钢筋网按