數(shù)值模擬方法在基坑工程中的應(yīng)用探討

□ 黃垚森

1 引言

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，近年來(lái)我國(guó)越來(lái)越重視交通事業(yè)，多數(shù)城市投入資金大興土木建造地鐵，對(duì)土木工程的技術(shù)要求越來(lái)越高。在施工過(guò)程中，基坑工程是重要的一環(huán)，要求更嚴(yán)苛，用傳統(tǒng)理論方法進(jìn)行“紙上談兵”，已經(jīng)不能滿足越來(lái)越復(fù)雜的地鐵深基坑工程。而基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)值模擬方法，能夠運(yùn)用理論原理，輔以強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以有效評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)基坑工程、抗震、結(jié)構(gòu)動(dòng)力、混凝土結(jié)構(gòu)壽命等特性，達(dá)到一定程度上的精細(xì)逼真，大大推動(dòng)了土木工程，特別是巖土力學(xué)的發(fā)展，成為目前土木工程科研和施工不可或缺的一種方法。筆者通過(guò)現(xiàn)有的文獻(xiàn)和實(shí)際操作，對(duì)數(shù)值模擬的原理和方法做綜述，并介紹最新的數(shù)值模擬軟件及應(yīng)用場(chǎng)景，為今后的基坑工程實(shí)際施工提供參考。

2 數(shù)值技術(shù)在巖土工程中的方法綜述

巖土因其復(fù)雜的彈性、塑性、各向異性等特征，顯示出比其他材料更復(fù)雜的力學(xué)表現(xiàn)和耦合效應(yīng)，普通的物理計(jì)算已不能滿足工程的各種性狀研究，在實(shí)際工程中如果不能進(jìn)行有效分析，則會(huì)導(dǎo)致地基沉降、基坑坍塌等事故發(fā)生。因此，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和彈塑性力學(xué)理論結(jié)合的數(shù)值分析方法的引入十分必要，當(dāng)前巖土力學(xué)的數(shù)值方法主要為有限元法、邊界元法、有限差分法、離散單元法[1]。

2.1 有限元法

將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)看成有限個(gè)僅在節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)的整體，由點(diǎn)到體、單元到整體的預(yù)測(cè)，依據(jù)虛位移原理、最小勢(shì)能原理等，通過(guò)分析小單元特性，集成總體特性，最終按相應(yīng)方程求解需要的未知量，在土木工程中最常見(jiàn)的有限元軟件如ANSYS，用以分析幾何形狀不規(guī)則、受力復(fù)雜的非勻質(zhì)結(jié)構(gòu)的各種特性。

2.2 邊界元法

不同于有限元法的整體結(jié)構(gòu)離散化，邊界元法只需在邊界上進(jìn)行分解離散，建立邊界上的方程，直接或間接求得邊界單元的特性，再利用開(kāi)爾文互等定理求解內(nèi)部點(diǎn)的特性，是一種處理速度快、占內(nèi)存小的數(shù)值方法，最常見(jiàn)的邊界元軟件如BEASY，可以模擬土木工程中的管道施工特性研究。

2.3 有限差分法

把實(shí)際的物理過(guò)程在時(shí)間和空間上離散，分成均勻的有限差分量，用“躍階”處理，將區(qū)域內(nèi)的各種特性用差分公式表示，進(jìn)而將微分方程的問(wèn)題變成求解代數(shù)方程方程的問(wèn)題，可以處理一些復(fù)雜的過(guò)程，最常見(jiàn)的土木工程差分軟件是FLAC 3D，用來(lái)求解巖土體的各種力學(xué)特性[2]。

2.4 離散單元法

將模型劃分成剛性單元，根據(jù)力和位移的關(guān)系求出單元之間相互作用力，根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律確定單元的運(yùn)動(dòng)特性，結(jié)合CAD成像技術(shù)反應(yīng)巖土體的力場(chǎng)、位移場(chǎng)等參數(shù)的變化，土木工程常用的軟件是UDEC可以模擬非連續(xù)介質(zhì)承受靜載或動(dòng)載下的響應(yīng)，分析邊坡、基坑等的穩(wěn)定性。

2.5 納米力學(xué)法

以上宏觀和細(xì)觀尺度方法雖然可行，但一大局限在于模擬中預(yù)先設(shè)置了較理想的假設(shè)，比如有限元要求土體均質(zhì)化假設(shè)，離散單元假設(shè)土顆粒是剛性粒子，這些假設(shè)使得數(shù)值分析存在一定制約。而納米尺度的模擬從土體最小的成分如蒙脫土晶體、高嶺土晶體、石英晶體等單元結(jié)構(gòu)入手，這些晶體由幾十到幾千個(gè)原子組成，大小只有幾納米，微觀尺度觀測(cè)從土體最本質(zhì)結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究其中的力學(xué)響應(yīng)，從而探索宏觀施工上的可行性。納米力學(xué)法研究原子間的物理化學(xué)性質(zhì)，摒棄了其他模擬的假設(shè)，從科學(xué)層面上更讓人信服，是如今高端工程和科學(xué)研究推行的一種新興手法[3]。

3 數(shù)值模擬在基坑施工中的應(yīng)用

數(shù)值方法的價(jià)值體現(xiàn)在實(shí)際的落地應(yīng)用，筆者針對(duì)基坑的開(kāi)挖、支護(hù)和監(jiān)測(cè)三大場(chǎng)景，介紹ANSYS、FLAC 3D等軟件的應(yīng)用，為今后基坑工程施工提供新的思路和參考意見(jiàn)。

3.1 基坑開(kāi)挖的數(shù)值模擬應(yīng)用

基坑在明挖和蓋挖，甚至淺埋暗挖、新奧法施工過(guò)程中，最注重的是開(kāi)挖過(guò)程中土體的力學(xué)和位移變化，一旦出現(xiàn)力學(xué)異常，土體失穩(wěn)崩塌將造成不可預(yù)估的后果。數(shù)值模擬軟件可以模擬出各種力學(xué)參數(shù)，有效預(yù)測(cè)土體變化，基于有限元法的ANSYS軟件在基坑開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)用最多，其中“Element Birth And Death”模塊，可以建立噴錨支護(hù)開(kāi)挖的深基坑模型，樁錨支護(hù)開(kāi)挖的深基坑模型，放坡無(wú)支護(hù)開(kāi)挖的深基坑模型，并模擬三種開(kāi)挖形式下的分部開(kāi)挖過(guò)程，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出深基坑在分布開(kāi)挖過(guò)程中的變形規(guī)律。比如在空間上和時(shí)間上的變形規(guī)律，并且顯示出塑性區(qū)域，能幫助施工人員在選擇正確的時(shí)間和位置進(jìn)行開(kāi)挖，防治塑性變形，避免不必要損失[4]。

因?yàn)榈叵滤膮⑴c，軟土的固—流耦合效應(yīng)也不容忽視，利用MIDAS有限元軟件，可以模擬軟體軟體深基坑降水開(kāi)挖場(chǎng)景，解析降水對(duì)深基坑隆起的決定性影響，技術(shù)人員可選擇最佳降水?dāng)?shù)據(jù)，處理基坑隆起問(wèn)題，還可以研究滲流對(duì)基坑的影響[5]。

3.2 基坑圍護(hù)的數(shù)值模擬應(yīng)用

基坑圍護(hù)應(yīng)當(dāng)視為一項(xiàng)長(zhǎng)期計(jì)劃，不僅要滿足強(qiáng)度需求，還要在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定性，因此涉及巖土力各個(gè)方面，基于以上要求，MidasGTS數(shù)值模擬軟件，可以模擬地下連續(xù)墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)場(chǎng)景，并輔以深基坑F-SPW軟件，用時(shí)程分析法對(duì)車站建立模型分析，校驗(yàn)圍護(hù)效果[6]。

另外，RSEAP是二維幾何和材料非線性分析軟件，能夠模擬巖土的錨索加固效果，構(gòu)筑支護(hù)過(guò)程，進(jìn)行不同工況的變形分析[7]；FLAC 3D能夠輸入特殊命令流，模擬梁、錨索、樁及板殼四種單元，還能模擬任意形狀，任意特性的結(jié)構(gòu)體與巖土體的相互作用，結(jié)構(gòu)體和巖土體的力學(xué)反應(yīng)；Rockfall是研究巖石崩塌的軟件，可以模擬主動(dòng)網(wǎng)、被動(dòng)網(wǎng)支撐和圍護(hù)樁在基坑邊坡上的應(yīng)用[8]。

3.3 基坑監(jiān)測(cè)的數(shù)值模擬應(yīng)用

監(jiān)測(cè)是體現(xiàn)基坑的施工效果的校驗(yàn)，后期要對(duì)基坑的穩(wěn)定性、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度進(jìn)行長(zhǎng)期持續(xù)的監(jiān)測(cè)，運(yùn)用ANSYS進(jìn)行不同工況下的支撐模擬，得出如支撐的支撐彎矩和軸力，得到基坑周圍土體水平位移的變化規(guī)律，最終達(dá)到預(yù)測(cè)的效果[9]。對(duì)于樁錨支護(hù)，則可以利用ABAQUS的Mohr-Coulomb以及Drucker-Prager模型，輸入土體性質(zhì)、邊界及荷載的命令流，進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，并同現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的成果和理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，共同驗(yàn)證樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)方案的可行性和持續(xù)性[10]。

NIDA是基于建筑結(jié)構(gòu)和巖土材料的動(dòng)力特性，可以模擬土木結(jié)構(gòu)抵抗不同靜、動(dòng)荷載能力，并由中國(guó)團(tuán)隊(duì)帶頭研發(fā)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)軟件，其不僅考慮了巖土自身的材料性質(zhì)，還通過(guò)輸入建筑的振動(dòng)、風(fēng)雨等內(nèi)外荷載作用，進(jìn)行多種條件耦合影響下的基坑承受能力模擬，進(jìn)行多因素作用的基坑實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和有效告警。

3.4 基坑力學(xué)性的數(shù)值模擬應(yīng)用

當(dāng)今我國(guó)基建的快速發(fā)展，高層建筑和大型路橋越建越多，從而對(duì)基坑的開(kāi)挖、維護(hù)要求也更大，但由于團(tuán)隊(duì)技術(shù)開(kāi)發(fā)和研究上遇到的瓶頸，給工程施工帶來(lái)了許多困難，使得近年來(lái)基坑變形塌陷等事故時(shí)有發(fā)生，亟待一些前沿的科學(xué)方法，為工程應(yīng)用提供新的可能性。在數(shù)值模擬方面，納米尺度研究法作為新興模擬方法，給予了工程一定指導(dǎo)，如在Materials Studio軟件中，模擬了黏土晶體里插入聚合物進(jìn)行作用，發(fā)現(xiàn)聚合物的注入能快速填補(bǔ)土體裂縫，并通過(guò)增強(qiáng)分子間作用力從而提高了土體的力學(xué)性能。這一現(xiàn)象預(yù)測(cè)了聚氨酯等聚合物作為基坑的修補(bǔ)材料具有很高的可行性，是“工程醫(yī)院”修建基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的有效措施；用Lammps等開(kāi)源軟件實(shí)現(xiàn)了蒙脫土、高嶺土和伊利土等成分在不同外部條件下的水—土耦合作用[11]，很好地觀測(cè)土體遇水漲縮作用，并判斷土體受力的最佳條件，為基坑排水、基坑受力等施工和研究上帶來(lái)很多實(shí)用建議。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)值模擬的引入，使土木工程的科研和施工變得更便利、更有效，但因?yàn)閿?shù)值模擬的適用是建立在嚴(yán)格的假設(shè)以及理想的環(huán)境等前提下，這些局限性使其并不能完全精確地還原現(xiàn)實(shí)情況[12]，與工程實(shí)際相比較，難免在準(zhǔn)確度上存在一定出入，所以技術(shù)人員在真正執(zhí)行時(shí)，并不能完全依賴于計(jì)算機(jī)的模擬結(jié)果，而要以現(xiàn)場(chǎng)勘察為主，數(shù)值模擬初步預(yù)測(cè)為輔，只有理論結(jié)合實(shí)際，才能全面且高效地進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)，確保工程完美竣工。