Abaqus，Plaxis與GTS在模擬基坑開挖中的效果對(duì)比

張開偉 李志勇 張力峰

(河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

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Abaqus，Plaxis與GTS在模擬基坑開挖中的效果對(duì)比

張開偉 李志勇 張力峰

(河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

采用三種大型有限元模擬分析軟件,對(duì)模型基坑開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,分析了基坑不同開挖階段土體的變形和位移情況，對(duì)比了Abaqus，Plaxis與GTS三種軟件在模擬基坑開挖過程中的位移結(jié)果和變形規(guī)律的差異性，有利于合理優(yōu)化深基坑開挖模擬方案。

基坑開挖,Abaqus,Plaxis,GTS,數(shù)值模擬

1 概述

21世紀(jì)以來，在我國(guó)各地各種類型的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)得到廣泛應(yīng)用，支護(hù)技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。然而不容回避的事實(shí)是，基坑工程是集巖土工程和結(jié)構(gòu)工程等多學(xué)科于一體的系統(tǒng)工程，綜合性強(qiáng)，影響因素眾多，深基坑工程不僅存在基坑本身的安全和穩(wěn)定問題，而且還會(huì)因土方開挖引起的周圍地層移動(dòng)而可能危及相鄰建筑物、地下管網(wǎng)和城市市政設(shè)施等，能否預(yù)測(cè)并控制住基坑及周圍地表的變形往往是基坑設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)是一門以多種學(xué)科和理論作為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的軟件作為工具，通過進(jìn)行虛擬試驗(yàn)的方法來分析和解決問題的綜合性技術(shù)，由于其強(qiáng)大的適用性,這些大型有限元模擬分析軟件被廣泛應(yīng)用到復(fù)雜地下工程中，已經(jīng)成為深基坑開挖工程計(jì)算模擬分析的強(qiáng)有力工具。本文通過利用一已知工程的數(shù)值參數(shù)，應(yīng)用不同數(shù)值模擬軟件模擬分析基坑開挖過程中的受力及變形過程，使基坑工程中的許多問題得到簡(jiǎn)化。同時(shí)還將不同模擬軟件的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，提出不同階段各種模擬結(jié)果的差異性，通過這種差異性的對(duì)比總結(jié)來增強(qiáng)分析結(jié)果的可信度。

2 模擬理論分析

2.1 朗肯主動(dòng)土壓力理論

2.2 摩爾庫(kù)侖理論

庫(kù)侖研究了回填砂土擋土墻的土壓力，把擋土墻后的土體看成是夾在兩個(gè)滑動(dòng)面，根據(jù)土楔的靜平衡條件，可以求解出擋土墻對(duì)滑動(dòng)土楔的支撐反力，從而可求解出作用于墻背的總土壓力。庫(kù)侖理論的基本假設(shè)：1)墻后填土為均勻的無粘性土(c=0)，填土表面傾斜(β>0)；2)擋土墻是剛性的，墻背傾斜，傾角為ε；3)墻面粗糙，墻背與土本之間存在摩擦力(δ>0)；4)滑動(dòng)破裂面為通過墻踵的平面。庫(kù)侖主動(dòng)土壓力計(jì)算圖見圖2。

3 工程算例模型

3.1 模擬項(xiàng)目概況

模擬基坑開挖土性質(zhì)：c=35 kPa，摩擦角為25°，剪脹角22°，用摩爾庫(kù)侖模型，垂直挖了10 m，描述模擬位移變化情況；基坑深10 m，寬度為35 m，取平面應(yīng)變單元計(jì)算。并因?yàn)閷?duì)稱取一半計(jì)算。分三次挖土，第一次3 m，第二次4 m，第三次6 m，不設(shè)任何支撐和擋土結(jié)構(gòu)。

3.2 計(jì)算模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

第一步開挖模擬結(jié)果如圖3,圖4所示。

從圖3,圖4可以看出，Abaqus,Plaxis和GTS計(jì)算得到的第一步開挖結(jié)束后結(jié)果中水平位移量非常接近，計(jì)算值可信度較高；垂直位移量Abaqus,Plaxis與GTS差異性較大，此時(shí)如果采用GTS模擬計(jì)算的垂直位移量就要謹(jǐn)慎一點(diǎn)。模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中總位移Abaqus,Plaxis非常接近(Abaqus總位移為7.62 mm，Plaxis總位移為7.61 mm)，Abaqus,Plaxis沒有出現(xiàn)塑性區(qū)和摩爾庫(kù)侖塑性點(diǎn)。

第二步開挖模擬結(jié)果如圖5,圖6所示。

從圖5,圖6可以看出，Abaqus,Plaxis和GTS計(jì)算得到的第二步開挖結(jié)束后模擬結(jié)果中水平位移量各個(gè)位移圖及數(shù)據(jù)較為吻合，包括最大值的大小，以及坑壁上出現(xiàn)塑性區(qū)的大致位置，但其也存在差異性，說明三個(gè)軟件對(duì)于深部開挖土體的水平位移模擬算法和網(wǎng)格存在不同，對(duì)其模擬計(jì)算值存在影響；垂直位移量Abaqus,Plaxis與GTS差異性較大，Abaqus,Plaxis所計(jì)算的垂直位移最大值均出現(xiàn)在基坑隆起的地方，而且位移大小值基本一致，GTS所計(jì)算的位移值較之Abaqus和Plaxis相差約3.5 mm，差值較大。模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中總位移Abaqus,Plaxis非常接近(Abaqus總位移為19.9 mm，Plaxis總位移為19.87 mm)，總位移最大值均發(fā)生在基坑隆起的地方；Abaqus,Plaxis二者計(jì)算所得塑性點(diǎn)出現(xiàn)的位置一致。

最后一步開挖模擬結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出,第三步開挖結(jié)束后模擬結(jié)果中三者計(jì)算所得破壞趨勢(shì)基本一致，Abaqus和Plaxis模擬結(jié)果形態(tài)相似。

5 結(jié)語

由以上各個(gè)模擬對(duì)比結(jié)果可以看出：

1)Abaqus,Plaxis與GTS在開挖的前兩個(gè)階段，從水平位移大小和變形規(guī)律來看其吻合程度相對(duì)較好，雖然第二步開挖模擬時(shí)Abaqus,Plaxis與GTS模擬結(jié)果存在差異，但差異性不大,精度較高，可以肯定的是實(shí)際工作中對(duì)于水平位移三種軟件的模擬結(jié)果都具有較好的參考價(jià)值。

2)對(duì)于垂直位移Abaqus,Plaxis模擬結(jié)果基本一致，二者與GTS模擬結(jié)果差異性較大，尤其在深部本次GTS模擬結(jié)果與前兩者相比,差值約為3.5 mm，差別較大，此時(shí)如果單一采用GTS模擬計(jì)算的垂直位移量就要謹(jǐn)慎一點(diǎn)。

3)土體破壞模擬結(jié)果中三者計(jì)算所得破壞趨勢(shì)基本一致，Abaqus和Plaxis模擬結(jié)果形態(tài)相似程度較高。

此外，由于容差等差別，最終計(jì)算的位移GTS要比Abaqus,Plaxis大很多。實(shí)際上，土體達(dá)到破壞后的計(jì)算結(jié)果值并沒有現(xiàn)實(shí)價(jià)值，只是給出一個(gè)破壞趨勢(shì)可以作為參考；而且有限元模擬分析中利用的是插值元函數(shù)，計(jì)算精度與網(wǎng)格稀疏有關(guān)系，有時(shí)候結(jié)果相差很大，但從相關(guān)陰影圖我們不難發(fā)現(xiàn)，三者所計(jì)算得出的基坑破壞剪切滑移帶基本一致。由于Abaqus,Plaxis與GTS其模擬算法基本一致，其模擬最終破壞結(jié)果也必將一致，但其各有側(cè)重點(diǎn)，筆者認(rèn)為相比Abaqus和Plaxis，GTS發(fā)展較晚，其算法還有很大的優(yōu)化空間。

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The effect comparison of Abaqus, Plaxis and GTS in the simulation of foundation pit excavation

Zhang Kaiwei Li Zhiyong Zhang Lifeng

(Hebei Construction Survey & Research Institute Limited Company, Shijiazhuang 050031, China)

Using the three kinds of large-scale finite element analysis software, this paper made numerical simulation calculation to the simulation of foundation pit excavation process, analyzed the deformation and displacement situation of soil in foundation pit different excavation stages, compared the differences of displacement results and deformation rules of Abaqus, Plaxis and GTS three kinds of software in simulation of foundation pit excavation process， it is helpful to optimize the simulatiion scheme of deep foundation pit excavation.

foundation pit excavation, Abaqus, Plaxis, GTS, numerical simulation

1009-6825(2017)08-0058-03

2017-01-09

張開偉(1982- )，男，碩士，高級(jí)工程師

TU463

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