深基坑開挖模擬與支護(hù)設(shè)計(jì)(基于FLAC3D)本科畢業(yè)論文答辯

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本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：基于FLAC3D的深基坑開挖模擬與支護(hù)設(shè)計(jì)姓名：XXX學(xué)號(hào)：XXXXXXXXX院系：工程學(xué)院專業(yè)：工程地質(zhì)指導(dǎo)教師：XXX職務(wù)：教授評(píng)閱教師：XXX職務(wù)：教授2010年6月 目錄第一章本文選題思路第二章工程概況與場(chǎng)地工程地質(zhì)條件第三章A-OPQRSA段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第四章基于FLAC3D基坑開挖模擬分析第五章結(jié)論與問(wèn)題 圖1設(shè)計(jì)流程圖 第二章工程概況與場(chǎng)地工程地質(zhì)條件第一節(jié)：工程概況武漢市萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)深基坑工程位于武漢市江漢區(qū)，地塊范圍東臨新華下路，西鄰新華西路，南側(cè)為規(guī)劃道路、武漢新聞出版局，北側(cè)為馬場(chǎng)公寓。本場(chǎng)地基坑分為A、B基坑兩塊，A、B基坑呈“呂”字型分布，總占地面積約57000m2。A基坑為大商業(yè)部分，其地下二層主樓的承臺(tái)底標(biāo)高-12.6m（電梯井-15.0m），商業(yè)部分底標(biāo)高-12.4m(電梯井-13.5m)；B基坑為住宅部分，其主樓承臺(tái)底標(biāo)高-11.25m，分布于基坑四周。本次設(shè)計(jì)選取A基坑OPQRSA段進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與FLAC3D數(shù)值模擬。表2-1A-OPQRSA設(shè)計(jì)開挖深度表段號(hào)地面標(biāo)高坑底標(biāo)高開挖深度A-OPQRSA20.7m9.9m10.8m 圖2-1萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)基坑平面布置圖 第二節(jié)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件2.1基坑周邊環(huán)境2.2場(chǎng)地地形地貌2.3設(shè)計(jì)涉及地層概況2.4場(chǎng)地水文地質(zhì)條件2.5場(chǎng)地地震效應(yīng)2.6場(chǎng)地巖土工程評(píng)價(jià) 圖2-1涉及土層剖面圖 第三章A-OPQRSA段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一節(jié)設(shè)計(jì)依據(jù)（1）武漢市新華西路萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)平面圖（2）武漢市新華西路萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)地下一層、二層平面圖（3）《基坑工程技術(shù)規(guī)范（湖北）》（4）《建筑基坑技術(shù)支護(hù)規(guī)范》（5）《基礎(chǔ)工程學(xué)》（6）《土力學(xué)》（7）《混凝土結(jié)構(gòu)》 第二節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)土層名稱γKN/M3CkpaΨ（。）層厚（m）雜填土18.08181.6粘土18.01880.9淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土17.01059.3粉質(zhì)粘土17.316112.7粉砂19.20277.6粉細(xì)砂19.70338.3表3-1土層基本參數(shù)取值表 第三節(jié)A-OPQRSA段基坑支護(hù)方案選擇分段號(hào)開挖深度本段特點(diǎn)選擇圍護(hù)方案A-OPQRSA10.8m坑外為現(xiàn)場(chǎng)施工道路；分布較厚的淤泥質(zhì)土；有較開闊的放坡空間；開挖深度較深；A、上部放坡卸載；B、支護(hù)樁+混凝土內(nèi)支撐；C、坑壁采用粉噴樁止水；D、坑底采用降水井降水； 圖3-1A-OPQRSA段支護(hù)體系布置剖面圖 第五節(jié)A-OPQRSA段基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)3.5.1土壓力計(jì)算計(jì)算方法：朗肯土壓力理論主動(dòng)土壓力計(jì)算：其中：被動(dòng)土壓力計(jì)算：其中： 圖3-2土壓力計(jì)算分布圖 3.5.2計(jì)算支護(hù)樁樁長(zhǎng)、內(nèi)支撐力和最大彎矩圖3-3計(jì)算簡(jiǎn)化圖計(jì)算思路：設(shè)支護(hù)樁深入粉砂層的深度將主動(dòng)土壓力對(duì)A點(diǎn)求矩：將被動(dòng)土壓力對(duì)A點(diǎn)求矩：由解關(guān)于x的三次方程，則，樁長(zhǎng)： 設(shè)內(nèi)支撐力為則主動(dòng)土壓力為被動(dòng)土壓力則：設(shè)最大彎矩，設(shè)樁頂以下深度為處剪力為零則對(duì)處求水平力的平衡，求得內(nèi)支撐力再對(duì)處求力矩，得到：因?yàn)闃堕g距為1.2m，在根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)方案》，一級(jí)基坑乘以重要性系數(shù)1.10則最大彎矩取值為：根據(jù)《基坑工程技術(shù)規(guī)范（湖北）》規(guī)定一級(jí)基坑應(yīng)該乘以分項(xiàng)系數(shù)1.35，則最后彎矩取值為： 3.5.3配筋計(jì)算支護(hù)樁所承受的最大彎矩荷載確定以后，可按照偏心受壓構(gòu)件計(jì)算樁身配筋。具體計(jì)算步驟：當(dāng)樁軸向力設(shè)計(jì)值為零時(shí)，設(shè)受壓區(qū)混凝土截面面積的圓心角與的比值為а，則：設(shè)設(shè)樁截面的彎矩設(shè)計(jì)值，則驗(yàn)算需滿足： 通過(guò)excel表格計(jì)算解三次方程組，得到：設(shè)配Ф28的鋼筋為n根，則：驗(yàn)算最小最小配筋率均滿足要求，則配筋方案為：主筋采用26Ф28HRB335，均勻圓周布置，保護(hù)層厚度50mm，配Ф8@200的螺旋箍筋，Ф16@200的定位筋。 第四章基于FLAC3D基坑開挖模擬土層名稱ρcψu(yù)kG層厚雜填土1834.98180.337.804.001.6粘土1834.91880.335.082.190.9淤泥質(zhì)粘土1732.91050.354.082.689.3粉質(zhì)粘土1763.516110.35.403.302.7粉砂1957.20270.36.604.807.6第一節(jié)模擬參數(shù)取值表4-1FLAC3D模擬計(jì)算參數(shù)取值表 圖4-1模擬土層分布圖 第二節(jié)初始應(yīng)力計(jì)算圖4-2初始平衡計(jì)算的z方向應(yīng)力圖 圖4-3初始平衡計(jì)算孔隙水壓力圖 圖4-4初始平衡計(jì)算中最大部平衡力監(jiān)測(cè)圖 圖4-5建模完成后基坑剖面圖 第三節(jié)計(jì)算結(jié)果分析圖4-6基坑開挖后水平方向位移云圖4.3.1位移云圖 分析：圖中可以看出x方向的最大位移發(fā)生在開挖坡腳深部地基中，在樁頂?shù)膞方向的位移也很大，其中左壁樁單元沒有進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固，在x方向產(chǎn)生較大位移，最大達(dá)到7.5cm。而相比之下，右壁進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力錨索加固，x方向的最大位移量控制在2.5cm左右，已經(jīng)符合《湖北省基坑設(shè)計(jì)規(guī)范》中預(yù)應(yīng)力錨索加固樁頂?shù)乃较蛭灰菩∮?0mm的要求。 圖4-7基坑開挖后z方向的位移云圖 分析：z方向的最大位移發(fā)生在左側(cè)施工道路上，最大沉降量已經(jīng)達(dá)到了40cm左右，顯然基坑左壁沒有進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固，已經(jīng)發(fā)生了塑性破壞，基坑右壁施工道路的沉降量為10cm左右（結(jié)果比較偏大，可能是由于材料參數(shù)賦值偏小的原因），在可控范圍之類，基坑底部由z方向向上的位移，主要原因是卸荷回彈等作用的原因，模擬結(jié)果比較符合實(shí)際情況。 圖4-8基坑開挖設(shè)置錨索和沒設(shè)錨索的速度矢量對(duì)比圖4.3.2變形矢量圖 圖4-8速度矢量云圖 分析：上面兩幅圖都是基坑開挖后左壁和右壁的速度矢量圖，圖中直觀形象的可以了解到基坑開挖后由于左壁和右壁支護(hù)方案的不同導(dǎo)致剪應(yīng)變和速度矢量截然不同，圖中可以看出在基坑的左壁由于沒有進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固，速度矢量很大（箭頭所示），說(shuō)明基坑左壁已經(jīng)發(fā)生了塑性破壞；而相反右壁基本沒有速度矢量處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明基坑右壁支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，支護(hù)體系作用良好。 4-9塑性區(qū)分布圖4.3.3塑性區(qū)分布圖 分析：從塑性區(qū)分布圖，可以看出基坑左壁樁單元沒有進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固，塑性區(qū)分布范圍很大，主要是樁單元后的主動(dòng)土壓力區(qū)和樁單元前部的被動(dòng)土壓力區(qū)，并且有向土體深部擴(kuò)大的趨勢(shì)；而基坑右壁相比左壁塑性區(qū)范圍明顯變小，主要集中在樁前的被動(dòng)土壓力區(qū)，說(shuō)明樁錨支護(hù)體系起到了非常好的支護(hù)作用。 圖4-10基坑左右樁單元頂部節(jié)點(diǎn)水平位移監(jiān)測(cè)對(duì)比圖4.3.4變量監(jiān)測(cè) 分析：圖為對(duì)左壁樁單元頂節(jié)點(diǎn)6107（29，0，27）和右壁樁單元節(jié)點(diǎn)6215（71，0，27）的水平方向位移監(jiān)測(cè)對(duì)比圖，由圖可以得出以下結(jié)論：（a）其中黑色位移曲線代表左壁頂部id號(hào)為6107的節(jié)點(diǎn)水平位移監(jiān)測(cè)曲線，該節(jié)點(diǎn)存在x正方向的位移變形，當(dāng)時(shí)步達(dá)到23000步以后趨于穩(wěn)定，最大位移量達(dá)到了7mm；（b）紅色位移曲線代表的是右壁頂部id號(hào)為6215的節(jié)點(diǎn)水平位移監(jiān)測(cè)曲線，該節(jié)點(diǎn)則存在x負(fù)方向的位移變形，當(dāng)計(jì)算到15000時(shí)步后基本趨于穩(wěn)定，最大位移量為3.8cm（c）由于基坑左壁沒有設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索導(dǎo)致基坑左壁發(fā)生了較大水平位移失穩(wěn)，而右壁設(shè)置了預(yù)應(yīng)力錨索單元，和樁單元形成了聯(lián)合的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，有效的控制了基坑右壁的水平位移，支護(hù)效果非常理想。 圖4-11基坑放坡左坡頂和有坡頂?shù)乃轿灰票O(jiān)測(cè)對(duì)比圖 分析：圖為基坑左側(cè)頂部節(jié)點(diǎn)5511（23，0，30）和右側(cè)肩部節(jié)點(diǎn)5599（77，0，30）x方向位移監(jiān)測(cè)對(duì)比圖。由圖可以得出以下結(jié)論：（a）從對(duì)比位移監(jiān)測(cè)圖形中可以看到，基坑左側(cè)放坡沒有進(jìn)行土釘加固，放坡土體的位移量非常大，最大可以達(dá)到25cm左右，基本已經(jīng)塑性流變；（b）而在右側(cè)放坡中進(jìn)行了土釘加固，最大位移量控制在了10cm左右。（c）圖主要是為了檢驗(yàn)放坡土釘加固的效果，在模型的建立中在左側(cè)放坡沒有進(jìn)行土釘加固，而在右側(cè)放坡中進(jìn)行了土釘加固。通過(guò)水平位移監(jiān)測(cè)對(duì)比圖可以看到土釘加固的效果是非常明顯的。 4.3.5結(jié)構(gòu)單元后處理圖4-12樁單元軸力圖 分析：圖為樁單元軸力圖，因?yàn)槎x樁單元需要全局坐標(biāo)系統(tǒng)和局部坐標(biāo)系統(tǒng)，而局部坐標(biāo)系統(tǒng)用來(lái)指定慣性矩和分布荷載，以及定義樁單元上力和力矩的。上圖可以得出以下結(jié)論：（a）樁單元主要受到的荷載為主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力和預(yù)應(yīng)力錨索施加的力，其中主動(dòng)土壓力應(yīng)該等于被動(dòng)土壓力和預(yù)應(yīng)力錨索施加的力之和，使樁單元達(dá)到力平衡，正是由于這三個(gè)力的作用使樁單元產(chǎn)生軸向壓力。（b）樁單元的軸向壓力最大值近似在主動(dòng)土壓力作用點(diǎn)處，圖中紅色條帶最寬的地方，其值為 圖4-13樁單元剪力圖 分析：圖為樁單元的剪力圖，也是由局部坐標(biāo)系定義的，黑色positive代表正值，紅色negative代表負(fù)值。通過(guò)上圖我們可以得出以下結(jié)論：（a）由第三章的計(jì)算可知，樁單元的最大彎矩處也就是剪力為零的特征點(diǎn)有兩處，一處為6.705m處，一處為12.432m處（以樁單元頂部為坐標(biāo)零點(diǎn)）。這個(gè)結(jié)論在模擬得到的剪力圖中得到了證實(shí)，圖中可見剪力為零的特征處有兩個(gè)地方，位置大致和計(jì)算相同。（b）剪力比較大的區(qū)段主要集中在基坑壁上半段和基坑地面左右一定范圍，最大的剪力為 圖4-14樁單元彎矩圖 分析：圖為樁單元的彎矩圖My，通過(guò)上圖可以得出以下結(jié)論：（a）由于左壁沒有進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿加固，沒有錨桿施加的力，所以左壁樁單元的彎矩小于右壁樁單元的彎矩（b）圖中可以得出樁單元最大彎矩的特征點(diǎn)在基坑坑壁中下部，這和第三章計(jì)算的最大彎矩作用點(diǎn)在樁頂以下6.705m處相符合，和樁單元剪力圖中剪應(yīng)力為零的位置相適應(yīng)，說(shuō)明模擬是比較真實(shí)有效的，得出最大彎矩為 圖4-15錨索軸力圖 圖4-16土釘軸力圖 第五章結(jié)論與問(wèn)題區(qū)段深度選用的支護(hù)方案A-OPQRSA3.1m放坡減載坡高3.1噴射砼厚度6-8cm；鋼筋網(wǎng)規(guī)格：φ6.5@200×200；錨桿長(zhǎng)度：3.0~4.5m；錨管規(guī)格：φ48×2.8破率1：1支護(hù)形式噴錨網(wǎng)施工道路7.5m10m雙排深層攪拌樁防水帷幕樁徑（m）5樁間距（m）4樁長(zhǎng)（m）1014m鉆孔灌注支護(hù)樁樁徑（m）1主筋26φ18HRB335；保護(hù)層厚度：50mm；φ8@200螺旋箍筋；φ16@2000定位鋼筋樁間距（m）1.2樁長(zhǎng)（m）17表5-1A-OPQRSA段支護(hù)體系設(shè)計(jì)成果總表 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目左側(cè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)號(hào)最大位移量右側(cè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)號(hào)最大位移量樁頂位移監(jiān)測(cè)61077cm62153.8cm基坑底部隆起監(jiān)測(cè)225420cm（偏大）231418cm（偏大）坡頂豎向位移監(jiān)測(cè)551125cm559910cm表5-2基于FLAC3D監(jiān)測(cè)信息統(tǒng)計(jì)表 表5-3靜力平衡法與FLAC3D模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比結(jié)構(gòu)單元內(nèi)力計(jì)算樁單元靜力平衡法最大剪力357.34KN最大彎矩1219.67KN.mFLAC3D計(jì)算法最大剪力387.00KN最大彎矩1079.00KN.m錨索FLAC3D計(jì)算法最大拉力100.10KN土釘單元FLAC3D計(jì)算法最大拉力1.77KN安全系數(shù)里正軟件分析1.637≧1.30FLAC計(jì)算1.628≧1.30 謝謝各位評(píng)委老師歡迎提問(wèn)！