开挖过程对基坑稳定性的影响Word格式文档下载.docx
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（4）逐渐成熟阶段
逐渐成熟阶段（20世纪80年代），人们开始从整体上认识基坑稳定性的发展趋势以及基坑的变形破坏机理。
诸如块体理论、DDA法、灰色理论、模糊数学、数据库与专家系统、计算机仿真技术、损伤断裂力学理论、神经网络模型和遗传算法等一些新理论、新技术、新方法开始出现并被运用到基坑稳定性研究，这些方法的出现为预测基坑的稳定性开创了更为广阔的前景[2-4,16-17]。
1.3选题的意义
基坑工程是土力学基础工程中一个古老的传统课程同时又是一个综合性的岩土工程问题，它几乎涉及到岩土力学与工程的各个方面：
包括土力学、工程地质学、水文地质学、结构力学以及监理、监测、施工方法等多个领域[5-6]。
基坑越挖越深带来一个突出问题,即基坑的设计和施工已成为地下工程领域的热点。
如何设计合理的深基坑支护和施工方案，做到既经济合理又安全可靠是岩土工程界的重要研究课题之一。
基坑工程是整个建筑物建造过程中的关键的一步，而已造价也占了总造价的将近三分之一。
可以说基坑施工的成败关系到整个工程的成败。
基坑综合防护设计日益引起社会的重视。
基坑设计不仅仅需要因地制宜地选择实用、合理、经济、美观的工程措施，确保人民的生命安全和财产，同时达到与周围环境的相对协调与平衡，以及美化社会的效果。
不同的开挖速率影响着基坑的稳定性，因此，找出合适的开挖速率可以消除安全隐患，对于保证工程的顺利进行，减少工程投资，保护人民群众的生命财产安全都有着重要的意义。
2研究方法
2.1基本思路
针对现实中的基坑稳定性问题，在研究思路与方法上以FLAC3D软件模拟实验和计算为主，最后实验数据分析或实测数据与计算结果进行对比。
并结合相关的图例进行说明，最后对设计成果加以检验的方法。
2.2FLAC程序简介
FLAC是快速拉格朗日差分分析（FlacLagranglanAnalysisofContinua）的简写，渊源于流体动力学，最早由Willkins用于固体力学领域。
FLAC3D程序自美国ITASCA咨询集团公司推出后，已成为目前岩土力学计算中的重要数值方法之一。
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、岩体或其他材料体力学特性，尤其是达到屈服极限时的塑性流变特性，广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、地下洞室、施工设计（开挖、填筑等）、河谷演化进程再现、拱坝稳定分析、隧道工程、矿山工程等多个领域[7-9]。
2.3FLAC3D的特点
FLAC3D包含11种材料本构模型、5种计算模式、多种边界条件、多种结构形式：
1.11种材料本构模型：
（1）空单元模型
（2）三种弹性模型：
各向同性、正交各向异性和横向各向同性
（3）七种塑性模型：
Drucker_Prager模型、摩尔—库仑模型、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、D-Y模型、修正的剑桥模型
2.5种计算模式:
静力模式、动力模式、蠕变模式、渗流模式、温度模式。
3.多种边界条件
边界方位可以随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。
4.多种结构形式
（1）对于通常的岩体、土体或其他实体，用八节点六面体单元模拟。
（2）FLAC3D的网格中可以有分界面，这种分界面将计算网格分割为若干部分，分界面两边的网格可以分离，也可以发生滑动，因此，分界面以模拟节理、断层或虚拟的物理边界。
（3）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、摩擦桩和板桩等。
2.4FLAC3D的基本原理
拉格朗日法是一种利用拖带坐标系分析大变形问题的数值方法，并采用差分格式按时步积分求解，随着构形的不断变化，不断更新坐标，允许介质有较大的变形模型经过网格划分，物理网格映射成数学网格，数学网格上的某个结点就与物理网格上相应的结点坐标相对应。
对于某一个结点而言，在每一时刻它受到来自其周围区域的合力的影响。
如果合力不等于零，结点就具有了失稳力，就要产生运动。
假定结点上集中有临接该结点的质量，于是在失稳力的作用下，根据牛顿定律，结点就要产生加速度，进而可以在一个时步中求得速度和位移的增量。
对于每一个区域而言，可以根据其周围结点的运动速度求得它的应变率，然后根据材料的本构关系求得应力的增量。
由应力增量求出t和
时刻各个结点的不平衡力和各个结点在
时的加速度。
对加速度进行积分，即可得结点的新的位移值，由此可以求得各结点新的坐标值。
同时，由于物体的变形，单元要发生局部的平均整旋或整旋，只要计算相应的应力改正值，最后通过应力叠加就可得到新的应力值。
到此计算为一个循环，然后按时进行下一轮的计算，如此一直进行到问题收敛。
FLAC3D以最大不平衡力来刻划FLAC计算的收敛过程。
如果单元的最大不平衡力随着时步增加而逐渐趋于极小值，则计算是稳定的；
否则计算就是不稳定的。
图2.4
（1）
2.5FLAC3D处理问题的步骤
FLAC3D软件处理问题的步骤：
（1）建立模型，产生网格，确定材料性质、边界条件和初始条件；
（2）运行程序，建立原始平衡；
（3）根据实际工况改变模型的相关条件，比如进行开挖或者改变其他边界条件，重新运行程序达到新的平衡或出现某种形式的变形与破环；
（4）根据研究问题的要求，对运行结果进行评价。
图2.5
（1）
3基坑稳定性FLAC3D分析
3.1基坑开挖FLAC3D分析理论
3.1.1基坑开挖模拟的方法
在城市地区进行深基坑工程开挖，初始应力场为重力场，使用有限差分法进行模拟时，一般使用空单元法。
空单元法的开挖效果是通过被挖单元的“空单元化”，即将要挖掉单元的刚度矩阵乘以一个很小的比例因子，使其刚度贡献变得很小可忽略不计，同时使其质量、荷载等效果的值也设为零来实现的，故称为空单元法。
在重力作用下，运用空单元法模拟开挖过程时，所求的应力场为该步开挖后的土体实际应力场，所求得的实际位移场需减去初始应力场才为该步开挖后的土体实际位移场。
在FLAC3D中，开挖时通过NULL单元实现的。
NULL单元是用力模拟从模型中挖去的那部分单元[10]。
3.1.2土体模拟
FLAC3D中内嵌了11种主要本构模型，本文使用空模型模拟土方开挖过程，使用摩尔-库仑模型模拟土体，这里对这两种模型作简单介绍。
空模型代表从岩体或土体模型中移去或开挖的部分，空模型内部的应力将被自动变为零，在这些区域中也没有重力作用；
摩尔-库仑模型通常用于描述土体和岩石的剪切破坏，模型的破坏包络线和剪切屈服函数以及拉屈服函数相对应。
3.2模型计算分析
3.2.1生成网格
FLAC3D的网格生成器不但定义网格中单元体的数量，而且还定义网格的形状以与实际问题的几何体相匹配。
既可以生成简单的、规则的网格，还可以变形成任意的、复杂的三维几何网格。
是由GENERATE通过关键字来完成网格生成的。
本文模型尺寸为60m×
40m×
2m（长×
高×
宽），开挖尺寸为20m×
12m×
宽）。
3.2.2定义本构模型，赋予材料参数值
如上文所述，使用空模型模拟土方开挖过程，使用摩尔-库仑模型模拟土体。
在FLAC3D中需要的材料参数有两组，一组为弹性变形参数，另一组为强度参数。
不同的模型需要定义不同的材料参数值，因为本文采用摩尔-库仑模型，摩尔-库仑模型需要定义材料参数及数值,具体运行代码如下：
;
选取土体本构模型
modelmohr
设定土体属性
propbulk=1.667e7,shear=5.56e6,cohesion=5e6,friction=26.0rangez=38.3,40.0
土层1
Propbulk=3.367e8,shear=1.554e7,cohesion=4.46e7,friction=19.2rangez=35.15,38.3
土层2
propbulk=1.6e7,shear=1.92e7cohesion=8.5e6,friction=32.4rangez=28.8,35.15
土层3
propbulk=3.179e7,shear=1.467e7cohesion=2.67e7,friction=11.2rangez=10.875,28.8
土层4
propbulk=2.45e7,shear=2.15e7cohesion=1.2e6,friction=30rangez=0,10.875
土层5
group1rangez38.340
group2rangez35.1538.3
group3rangez28.835.15
group4rangez10.87528.8
group5rangez010.875
土体天然密度
initialdensity=1990rangez=38.3,40.0
initialdensity=1990rangez=35.15,38.3
initialdensity=2200rangez=28.8,35.15
initialdensity=2050rangez=10.875,28.8
initialdensity=2600rangez=0,10.875
3.2.3边界条件和初始条件
边界分为两类：
真实边界和人为边界。
真实边界存在于模型中的真实物理对象；
人为边界是不真实存在的，但为了封闭单元体不得不假定。
本样例在土体外部不施加任何力，仅仅是土体的重力为此需要设置模拟条件，即重力加速度；
为了开挖沟渠，还需要初始化模型中土体的密度。
本模拟运用直角坐标系。
在水平面上，x方向为东西方向，y方向为南北方向，并且规定向东为正，向上为正。
边界条件的设置采用模型周边施加法向约束，模型表面自由。
在建模过程中的边界条件和初始条件运行代码如下：
施加重力
setgravity00-9.81
设定应变边界条件
fixzrangez=0.1,0.1
fixzrangez=39.9,40.1
fixxrangex=0.1,0.1
fixxrangex=59.9,60.1
fixyrangey=0.1,0.1
fixyrangey=1.9,2.1
3.3开挖方案
针对现实生活中基坑稳定性问题，本次意在探讨不同的开挖速率对基坑稳定性的影响，设计了三种速率进行模拟开挖。
本次建立的模型大小为60m×
宽），设计模拟开挖深度为12m。
每次开挖深度（m）
开挖次数
工况1
2
6
工况2
3
4
工况3
表3.3
（1）
三种方案分别应用FISH函数编写开挖程序基于基坑模拟进行虚拟开挖，且记录关键点的位移，应力等反映变形情况的量。
在虚拟开挖过程中，记录了相关变量，即用基坑底部中心线上的竖向位移，来反映基底的隆起；
在基坑高度上的点的位移，来反映基坑侧壁的变形。
图3.3
（1）
3.4计算结果分析
3.4.1基坑位移分析（仅以工况一为例）
（1）竖向位移
开挖1
开挖2
开挖3
开挖4
开挖5
开挖6
1
0.004449
0.01032
0.01644
0.0244
0.03189
0.03586
0.006466
0.01567
0.02724
0.04377
0.06317
0.08326
0.00769
0.0191
0.03417
0.05426
0.0755
0.09701
0.007688
0.03415
0.05428
0.07552
0.097
5
0.006869
0.01679
0.02948
0.04742
0.06772
0.0822
0.005505
0.01309
0.02195
0.03457
0.05001
0.06916
7
0.004446
0.01643
0.03193
0.03585
表3.4
（1）
图3.4
（1）
明挖法施工，基坑开挖对基坑地下部土层影响很大，根据计算结果，当施工开挖至坑底时，原来位于坑底的土层，由于上部的荷载卸去导致坑底土体受力不平衡，基坑底部会发生向上的隆起。
由上图可知当开挖深度在6m之内时，坑底竖向位移较小，其中两侧位移值较小，两侧均在20mm之下，最小值为4mm,中间最大值在40mm之下，最大值为34mm；
当开挖深度在6m以上时，坑底位移值较大，其中两侧位移值较小，最小为7mm，中间最大值为97mm。
图3.4
（2）开挖2米的竖向位移
图3.4（3）开挖4米的竖向位移
图3.4（4）开挖6米的竖向位移
图3.4（5）开挖8米的竖向位移
图3.4（6）开挖10米的竖向位移
图3.4（7）开挖12米的竖向位移
（2）水平位移
0.001922
0.004727
0.007414
0.009731
0,01174
0.0138
0.000625
0.003931
0.007166
0.009254
0.0112
0.01339
0.001063
0.004525
0.0064
0.00846
0.0110
0.001157
0.00117
0.001467
0.00441
0.0079
0.001329
0.002098
0.0.2098
0.002209
0.00209
0.0050
0.001478
0.002874
0.00287
0.0040
0.001567
0.003297
0.004233
0.004545
0.00461
0.0046
表3.4
（2）工况1下监测点水平位移
图3.4（8）工况1下分层开挖监测点水平位移
图3.4（9）开挖2米的水平位移
图3.4（10）开挖4米的水平位移
图3.4（11）开挖6米的水平位移
图3.4（12）开挖8米的水平位移
图3.4（13）开挖10米的水平位移
图3.4（14）开挖12米的水平位移
由于土体被挖去，加上坑底土体隆起，必然会造成基坑周围土体的位移，即水平位移，由图可知，就考虑分层开挖中的单一情况，监测点的水平位移上部位移大于下部位移，例如开挖到12m时，上部位移值最大，其值为13mm，底部位移值最小，其值为4mm；
从其中一个监测点考虑，大体的趋势是随着开挖深度的增加，位移值也增加，例如监测点1，开挖深度为2m时，其水平位移值最小为2mm,开挖深度达到12m时，其水平位移值最大为14mm。
3.4.2基坑应力分析
图3.4（15）开挖2米的竖向应力
图3.4（16）开挖4米的竖向应力
图3.4（17）开挖6米的竖向应力
图3.4（18）开挖8米的竖向应力
图3.4（19）开挖10米的竖向应力
图3.4（20）开挖12米的竖向应力
有限差分法可以使FLAC3D形象的模拟出基坑内部结构应力的变化。
本文所分析的模型，其自重应力场起主导作用，应力的分布应该是随着开挖深度发生变化的。
由图可以看出，每种应力在一定数值范围内由相同的颜色表示，其正数为拉应力，负数为压应力[15-18]。
从整个模型来看，竖向应力分层分布，最大值出现在上部，即橙色部分；
最小值出现在底部，即蓝色。
随着土被挖去，基底在土的自重下达到平衡。
3.5各工况的对比分析
3.5.1竖向位移对比
工况2
工况3
0.04082
0.04531
0.08648
0.08863
0.1091
0.1112
0.1086
0.1236
0.08822
0.0921
0.09512
0.06916
0.07221
0.07542
0.03485
0.03682
0.03936
表3.5
（1）各工况下基底竖向位移值比较
图3.5
（1）各工况下基底竖向位移值比较
基坑呈长条型矩形，开挖深度为12m，选取长度方向中点线上的7个点作为基坑隆起的观测点，得到基底隆起曲线图。
由图可知，由于开挖速率的不同，导致基底不同位置隆起变形量各异。
工况1，整体隆起量较小，隆起量从中间向两侧递减；
工况2，整体隆起量适中，中间隆起量较大，两侧较小，且大致对称分布；
方案3，整体隆起量最大，无论是两侧还是中间均大于工况1和工况2，中间最大值为123mm。
由此可知开挖时每次采取不同的开挖深度对基底隆起量影响较大，在现实生活中基坑开挖前应该制定开挖方案，选择合适的开挖速率，在合适的深度使采取支护，减少基底隆起变形，保证基坑稳定[11-13]。
3.5.2水平位移对比
工况1
0.01636
0.02016
0.0158
0.01826
0.01106
0.01386
0.01635
0.00794
0.00932
0.01141
0.00502
0.00604
0.00788
0.004
0.00542
0.00401
0.00438
表3.5
（2）各工况下水平位移比较
图3.5
（2）各工况下基坑壁监测点水平位移比较
基坑侧壁，沿开挖深度每下降2m选取一个点，开挖深度为12m，共7个位移监测点，记录这些点的y向水平位移，反映基坑侧壁的变形情况。
分析整理数据得到基坑侧壁的位移曲线图。
由图可知，坑边顶部端位移较大，达13-20mm,各个方案存在较大差别，接近坑底部分变形趋于一致，基底以下不同方案对监测点位移的影响相差较小。
可见，不同开挖速率引起的侧壁变形量有很大差异从4-20mm不等，其中工况1影响最小，顶部位移约为13.8mm,底部位移值约为4.6mm；
工况2影响居中，顶部位移值约为16.3mm，底部位移值约为4.0mm；
工况3影响最大，顶部位移值约为20.2mm，底部位移值约为4.4。
结论
以FLAC3D软件为工具，通过三种开挖方式的数据模拟分析和比较，反映了不同的开挖方式对基坑侧壁位移、基底隆起的明显差别：
同一基坑由于速率的不同，即每次开挖2m,直到基坑开挖完成；
每次开挖3m，直到基坑开挖完成；
每次开挖4m，直到基坑开挖完成，导致基坑变形也有较大差别。
具体结论如下：
1.用FLAC3D进行基坑的数值模拟完全可行，并且切合实际。
在现实生活中对基坑进行开挖之前，先用FLAC3D进行基坑变形模拟，找出合适的开挖深度，确定安全的开挖方案。
2.FAC3D能够很好地对基坑分布开挖，并且它自带的摩尔-库仑弹性模拟，能很好地反映土的特性。
3.开挖土体位移特征：
（1）由于开挖土体，上面的荷载被卸去导致土体不平衡，基底发生位移，其中两侧竖向位移较小，中间较大。
（2）土体被挖去，加上坑底土体隆起，必然会造成基坑周围土体的位移，即
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