基于ABAQUS基坑支護(hù)數(shù)值模擬與實測數(shù)值研究

羅振宇 李春清 李萌 曾凡靜

摘 要：為了準(zhǔn)確評估基坑開挖過程中的土體變形、受力特性及支護(hù)對開挖基坑的加固影響規(guī)律，利用ABAQUS軟件建立了二維有限元數(shù)值模型，對基坑開挖和支護(hù)過程中的變形和受力進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對比分析了現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，模擬計算所得土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移與監(jiān)測值進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合較好，說明所建模型的正確性及該數(shù)值模擬與實際情況有較高匹配度，研究結(jié)果可為深基坑土方的開挖、支護(hù)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有限元模型；數(shù)值模擬；監(jiān)測數(shù)據(jù)；對比分析

中圖分類號：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0044-02

Abstract： In order to accurately evaluate the deformation and stress characteristics of soil in the process of foundation pit excavation and the influence of support on the reinforcement of foundation pit， a two-dimensional finite element numerical model is established by using ABAQUS software. In this paper， the deformation and force in the process of foundation pit excavation and support are numerically simulated， and the field monitoring data and numerical simulation results are compared and analyzed， and the displacement and monitoring values of soil and retaining structure are compared and analyzed. It is found that the numerical simulation results are in good agreement with the monitoring data， indicating the correctness of the model and the high matching degree between the numerical simulation and the actual situation. The research results can provide a theoretical basis for the excavation and support of deep foundation pit earthwork.

Keywords： finite element model； numerical simulation； monitoring data； comparative analysis

引言

隨著我國城市化建設(shè)的高速發(fā)展，基坑工程中發(fā)生事故的概率逐漸上升，基坑工程因此越來越重視[1]。目前國內(nèi)對于基坑安全穩(wěn)定性計算方法主要有三種，包括有極限平衡法、土抗力法和有限元法等。極限平衡法運用廣泛，其原理相對較簡單，但是它無法分析研究檢測過程中產(chǎn)生的位移、應(yīng)變等。土抗力法僅考慮三種極限狀態(tài)下的土壓力，即主動、被動和靜止土壓力，由于假設(shè)條件為完全彈性、平面滑裂等情況，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況相差甚遠(yuǎn)[2]。有限元法相比于極限平衡法和土壓力法就顯得比較靈活，它不僅可以分析應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)，還可以處理分析區(qū)域的復(fù)雜特征和邊界條件[3-5]。

本文以日照某深基坑作為研究案例，通過綜合考慮基坑工程周邊的地質(zhì)條件、水文條件、施工場地條件及周圍建筑物應(yīng)力重新分布的基礎(chǔ)上，依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測勘查報告數(shù)據(jù)，結(jié)合實際情況建立有限元模型，分析選取最適宜該工程的支護(hù)方案，為實際工程提供指導(dǎo)建議。

1 基坑支護(hù)數(shù)值模型建立

1.1 基本假定

為了突出問題本質(zhì)，作如下假設(shè)：（1）假設(shè)模型中巖土體是均勻的、各向同性的彈塑性體，按照平面應(yīng)變單元計算；（2）假設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)為完全彈性體；（3）因為采取了基坑降排水措施和設(shè)有止水帷幕，所以在基坑開挖的過程中不存在滲流的影響，（4）假設(shè)未進(jìn)行開挖的土方在自身重力作用下保持固結(jié)狀態(tài)，不關(guān)注土體最初的應(yīng)力情況；（5）假設(shè)施工的過程中，對基坑周圍土體的力學(xué)情況未造成影響。

高度為樁長的2倍以上，本次支護(hù)樁的長度15.4m，入巖深度為3m，因此模型寬度為100m，深度為100m，基坑形狀為對稱結(jié)構(gòu)，取基坑的一半建立二維平面模型，巖土體均采用彈塑性模型，塑性模型采用庫倫摩爾模型，單元類型選用平面應(yīng)變模型。

1.2 樁的幾何模型建立

本次樁的模型采用ABAQUS軟件中的線性梁單元（B21）模型來模擬灌注樁的受力，樁模型采用線彈性模型，選擇梁單元進(jìn)行分析計算，建立ABAQUS二維線型模型，樁的模型參數(shù)見表1。

1.3 工況分類

在施工之前，巖土體在自身重力的作用下達(dá)到初始應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)全部巖土體內(nèi)力計算穩(wěn)定以后，嵌入灌注樁模型，然后進(jìn)行基坑開挖，并依次進(jìn)行錨桿支護(hù)措施。

根據(jù)現(xiàn)場實際施工狀況，可分為以下幾個步驟：

第一步：初始地應(yīng)力階段，在基坑周圍地面增加荷載，用來模擬初始應(yīng)力狀態(tài)。

第二步：創(chuàng)建灌注樁，即梁單元，灌注樁于周圍巖土體接觸類型均為摩擦接觸，材料類型為C30混凝土。

第三步：（1）開挖第一道巖土層，將基坑開挖到深度2.7m處，在深度2.2m的地方加設(shè)錨桿支撐。（2）開挖第二道巖土層，將基坑開挖到深度4.9m處，在深度4.4m的地方加設(shè)錨桿支撐。（3）開挖第三道巖土層，將基坑開挖到深度7.1m處，在深度6.6m的地方加設(shè)錨桿支撐。（4）開挖第四道巖土層，將基坑開挖到深度9.3m處，在深度8.8m的地方加設(shè)錨桿支撐。（5）開挖第五道巖土層，將基坑開道挖深度12.4m處，完成基坑開挖。

2 土體數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 土體的水平受力及位移分析

采用有限元模擬得到不同工況下的巖土體水平位移云狀態(tài)。隨著基坑開挖深度的不斷增大，被支護(hù)的土體水平位移逐漸遞增，隨著時間的推移外側(cè)的土體有向基坑內(nèi)水平滑動的趨勢；此外，處在基坑外圍的土體水平位移隨著離基坑邊緣的距離增大呈現(xiàn)出非線性遞減小的趨勢，在基坑邊緣位置，水平位移達(dá)到最大，最大位移為3.3mm，當(dāng)距離基坑邊緣距離為25m時，其水平位移減小到0.62mm。

2.2 巖土體的豎向受力及位移分析

隨著巖土體每次的開挖，基坑坑底的土體便會產(chǎn)生隆起，而基坑外側(cè)的巖土體則會產(chǎn)生沉降，究其原因是隨著基坑巖土體的開挖，基坑自重荷載不斷減少，使得基坑內(nèi)側(cè)及坑底的原始應(yīng)力的巖土應(yīng)力分布發(fā)生變化，從而造成基坑巖土體產(chǎn)生向上的位移，即產(chǎn)生基坑隆起。另外，由于基坑內(nèi)側(cè)的巖土體被挖出，基坑外側(cè)的巖土體會產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)的相對滑動，使得外側(cè)的巖土體的豎向位移發(fā)生變化，即外側(cè)巖土體的沉降。

一般在基坑開挖過程中，兩個方面的原因很可能會導(dǎo)致基坑底部的隆起，一是基坑的開挖，巖土體移除導(dǎo)致應(yīng)力重分布，繼而致使基坑底層土體向上反彈；二是基坑外側(cè)土體在土壓力作用下，造成支護(hù)樁和基坑外側(cè)的巖土體向基坑內(nèi)傾斜，最終導(dǎo)致土體從基坑底部出現(xiàn)了隆起。實際土方開挖施工中，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工之前，基坑底部的隆起情況會更加明顯，并且短時間內(nèi)出現(xiàn)隆起，但是伴隨著錨桿施工完畢，巖土體受到水平和豎向位移的限制隆起量逐漸減小且慢慢趨于一個穩(wěn)定的數(shù)值。

隨著基坑開挖深度的不斷增加，基坑底部的隆起豎向位移先非線性增加最后穩(wěn)定在一個數(shù)值水平，不再隨開挖深度繼續(xù)增大，當(dāng)開挖深度為0-13m時，基坑隆起逐漸增大；之后基坑底部隆起量不再繼續(xù)增加而是趨于穩(wěn)定，其最大隆起量為14.2mm?；油鈧?cè)的豎向沉降量隨著距基坑邊緣距離的增大呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢，當(dāng)距基坑邊緣距離為0-9m時，基坑外側(cè)沉降量逐漸增大，其最大值為14.1mm；當(dāng)距離大于9m時，沉降量會逐漸降低至2.2mm，超過15m后，基坑豎向沉降量不再繼續(xù)增大，而是維持一定數(shù)值趨于穩(wěn)定。

2.3 支護(hù)樁施工后的位移

隨著基坑巖土體的開挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的最大值逐漸從樁頂逐漸向下減小，最后穩(wěn)定在基坑開挖完成后深度的2/3處的位置，模擬的結(jié)果與實際的情況比較相符，開挖至基坑底部使支護(hù)樁的水平位移隨著深度的變化?；娱_挖施工結(jié)束后，支護(hù)樁的頂端水平位移呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，且產(chǎn)生的最大水平位移為3.6mm。

3 數(shù)值結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析

通過對施工現(xiàn)場深基坑土方開挖過程的實時動態(tài)監(jiān)測，獲得支護(hù)樁結(jié)構(gòu)物實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合ABAQUS模型計算所得數(shù)據(jù)，土體模擬數(shù)值與檢測數(shù)值之間的變化情況大致相同，成拋物線型，且其峰值大致相同（圖1）。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)以內(nèi)的巖土體的監(jiān)測值與有限元數(shù)值分析的結(jié)果趨勢大致相同，其中最大的水平位移出現(xiàn)在維護(hù)結(jié)構(gòu)中下部位置，最大值為3.6mm，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果大致相同，說明此模型可以有效準(zhǔn)確的模擬實際工程。

4 結(jié)論

（1）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土體最大水平位移出現(xiàn)在基坑側(cè)壁處，隨著距基坑側(cè)壁的距離的增大而逐漸減小，最終減小到零?；油鈧?cè)土體的豎向位移隨距基坑側(cè)壁距離的增大呈現(xiàn)一種拋物線的形狀，土體的最大豎向位移出現(xiàn)在距離基坑側(cè)壁6m的位置處，之后慢慢減小到零。（2）基坑底部的土體在開挖完成后會呈現(xiàn)隆起現(xiàn)象，其基坑底中間位置隆起的最高，向基坑四周呈現(xiàn)拋物線的形式，所以支護(hù)樁位置處巖土體隆起最低。（3）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移隨深度變化為兩邊大中間小的趨勢，而最大水平位移一般出現(xiàn)在基坑中下部的位置；且基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩和拉應(yīng)力隨深度的變化受錨桿的作用較為明顯，在錨桿位置處基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩和拉應(yīng)力出現(xiàn)突變，這說明了設(shè)置錨桿支撐對支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力有著明顯的改變。（4）將有限元軟件計算所得的巖土體的豎向位移和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移的有限元模擬值與監(jiān)測值進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)相同趨勢，說明所建立的模型正確且該數(shù)值模擬與實際情況基本吻合，這對于其他項目的深基坑土方開挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力變化等問題具有借鑒意義。

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