基于ANSYS和ABAQUS的不規(guī)則超大深基坑數(shù)值仿真

摘要：不規(guī)則超大深基坑的數(shù)值仿真時(shí)一方面建模難度較高，另一方面涉及存在大量的結(jié)構(gòu)物與巖、土相互作用的結(jié)構(gòu)面，且存在大量接觸面隨開(kāi)挖“消失”或“出現(xiàn)”的過(guò)程，由此導(dǎo)致單一手段無(wú)法準(zhǔn)確模擬不規(guī)則深基坑的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。針對(duì)這一難點(diǎn)，采用聯(lián)合ANSYS及ABAQUS對(duì)不規(guī)則地鐵車站基坑進(jìn)行數(shù)值仿真。利用ANSYS前期建模準(zhǔn)確及ABAQUS非線性處理能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，獲得不規(guī)則超大深基坑的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。數(shù)值分析與實(shí)測(cè)對(duì)比的結(jié)果說(shuō)明，這一仿真思路值得在大型復(fù)雜工程的計(jì)算分析中推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：建模；仿真計(jì)算；深基坑；ANSYS；ABAQUS

0" "引言

三維深基坑的仿真涉及眾多墻－土單元的非線性接觸，基坑開(kāi)挖模擬過(guò)程比較復(fù)雜[1-3]，隨著基坑的開(kāi)挖，會(huì)有大量土體單元及接觸單元的“殺死”以及支撐桿單元的生成。針對(duì)不規(guī)則超大深基坑，可利用數(shù)值分析手段，對(duì)基坑的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，找到基坑潛在的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，并采取針對(duì)性的處理措施，優(yōu)化原有基坑支護(hù)方案，以保證基坑施工的安全性和降低成本。

如何獲得更接近實(shí)際的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，也成超大深基坑數(shù)值仿真計(jì)算的難點(diǎn)之一。一方面是因?yàn)椴灰?guī)則超大深基坑建模難度較高，有限元網(wǎng)格剖分較為困難。一般的有限元前處理軟件采用先繪制模型再剖分單元格的方式，很難精準(zhǔn)剖分出形狀適宜的單元格，易出現(xiàn)畸形網(wǎng)格，導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算難以收斂。且往往需要較高的計(jì)算成本，使得數(shù)值計(jì)算無(wú)法完成迭代[4-5]。另一方面是因?yàn)椴灰?guī)則超大深基坑存在大量的結(jié)構(gòu)物與巖、土相互作用的結(jié)構(gòu)面，且存在大量接觸面隨開(kāi)挖過(guò)程的“消失”或“出現(xiàn)”。這就需要數(shù)值分析軟件能提供合適的指令，模擬這一動(dòng)態(tài)施工過(guò)程，且能提供豐富的接觸面本構(gòu)關(guān)系、巖土體本構(gòu)關(guān)系，來(lái)準(zhǔn)確模擬基坑工作性狀[6-7]。

鑒于此，本文綜合ANSYS、ABAQUS兩款通用有限元軟件的優(yōu)點(diǎn)。利用ANSYS靈活的建模能力，應(yīng)用APDL語(yǔ)言編制相應(yīng)的程序，可方便快捷地構(gòu)建不規(guī)則深基坑的模型。ANSYS完成建模后，再用APDL的功能函數(shù)*GET，將不規(guī)則深基坑的模型信息改寫成ABAQUS的命令流格式。ABAQUS比較ANSYS在處理非線性問(wèn)題方面的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算收斂快，特別是對(duì)于基坑開(kāi)挖求解問(wèn)題，其對(duì)初始地應(yīng)力場(chǎng)的平衡效果是ANSYS軟件所無(wú)法比擬的[8-9]。

ABAQUS自帶許多適宜模擬土體變形的本構(gòu)模型，可為模擬巖土變形問(wèn)題及巖土-結(jié)構(gòu)物接觸問(wèn)題提供多方位選擇，這也是ANSYS或者其他非線性有限元軟件沒(méi)有的功能。此外ABAQUS還提供用戶自定義材料模型的子程序UMAT，方便用戶添加自己的本構(gòu)模型。ABAQUS非線性求解能力，能準(zhǔn)確模擬不規(guī)則深大基坑的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，找到基坑三維深基坑潛在的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，以供基坑支護(hù)方案的優(yōu)化與調(diào)整。此方案結(jié)合了ANSYS、ABAQUS兩款通用有限元軟件的優(yōu)點(diǎn)，可在巖土工程設(shè)計(jì)與分析計(jì)算中推廣與應(yīng)用。

1" "ANSYS及ABAQUS用于基坑有限元前處理

1.1" "應(yīng)用ANSYS方法對(duì)基坑建模

對(duì)于基坑問(wèn)題，在定義墻與土體的接觸分析時(shí)，往往采用NODE TO SURFACE類型。在CAE中要一個(gè)個(gè)選擇節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)很多的時(shí)候不是很方便且費(fèi)時(shí)，而ANSYS中，則可十分方便地通過(guò)NSEL命令選擇從面上的節(jié)點(diǎn)，還可以通過(guò)CM命令將節(jié)點(diǎn)集合、組合等一系列操作，從而避免ABAQUS自帶CAE操作中選擇節(jié)點(diǎn)費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)。另外，也可將后處理中需要用到的節(jié)點(diǎn)單元集導(dǎo)入到ABAQUS中，以方便后處理。例如可以定義斜測(cè)管處的節(jié)點(diǎn)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)集，在INP文件中添加后處理命令輸出該節(jié)點(diǎn)集的斜測(cè)值，從而提高后處理效率。

ANSYS主要包括掃瓊劃分、映射劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分等建模方式，也可直接生成有限元模型[10]。復(fù)雜的三維基坑模型需綜合上述各種建模方法。通常模擬土體六面體單元采用掃瓊劃分，模擬支撐桿的三維殼單元采用映射劃分。

1.2" "ANSYS格式輸出命令

利用ANSYS建好的基坑模型并不能直接為ABAQUS軟件所用。第一步需用APDL中的功能函數(shù)*GET獲取完整的三維基坑有限元模型信息，包括了節(jié)點(diǎn)信息、單元信息、邊界條件信息、荷載信息、材料信息、截面特性等；第二步在相應(yīng)位置再用APDL命令寫入ABAQUS關(guān)鍵詞；第三步按照ABAQUS的INP文件所需格式類型。

復(fù)雜深基坑的建模網(wǎng)格密度難以一次剖分到位，利用APDL語(yǔ)言可以輕松修改模型網(wǎng)格密度，并實(shí)現(xiàn)模型信息的快速更改和提取。由APDL命令建立的有限元分析模型數(shù)據(jù)文件，往往僅為CAE數(shù)據(jù)文件的1%，不僅便于保存和攜帶，在網(wǎng)上或平常的交流也很方便。

1.3" "ABAQUS方法用于基坑工程分析

聯(lián)合ANSYS、ABAQUS兩款通用有限元軟件，進(jìn)行不規(guī)則深大基坑建模的流程圖如圖1所示。用APDL提出ABAQUS能識(shí)別的模型數(shù)據(jù)后，將其存儲(chǔ)為.inp文件，在三維基坑模型數(shù)據(jù)信息后，寫入ABAQUS數(shù)值軟件能識(shí)別的分析語(yǔ)言。在.inp文件中需加入以下分析步驟。

第一類分析步驟是在整體基坑模型建成、裝配、并剖分好單元格后，在基坑單元格信息后面，進(jìn)行基坑初始應(yīng)力場(chǎng)的平衡。此時(shí)基坑初始應(yīng)力場(chǎng)的平衡采用*Geostatic（地應(yīng)力平衡）分析步實(shí)現(xiàn)。

第二類分析步驟是隨著基坑的土體的開(kāi)挖，分層架設(shè)支撐，對(duì)基坑土體開(kāi)挖和鋼支撐添加分別采用*Model Change、Remove、*Model Change、Add來(lái)模擬。

第三類分析步驟是不規(guī)則深基坑采用橫向支撐為預(yù)應(yīng)力支撐，要給支撐施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，可采用初始條件語(yǔ)句*Initial conditions Type=Stress來(lái)設(shè)置。

2" "工程概況

某工程為地下二層島式車站基坑，基坑?xùn)|西向布置。車站總長(zhǎng)163.3m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度18.9m。地鐵車站基坑為不規(guī)則長(zhǎng)條形，如圖2所示?；娱_(kāi)挖時(shí)分東、西兩區(qū)，并進(jìn)行分區(qū)開(kāi)挖。西部擴(kuò)大段最大寬度37.4m。車站底板埋深約16.5m，基坑兩端深約16.8m，車站凈高13.55m。車站基坑整體呈兩端寬、中間窄的結(jié)構(gòu)形式。

圖3為基坑橫剖面示意圖。由圖3可知，車站基坑共四道橫向支撐，基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)以粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主。針對(duì)這種開(kāi)挖深度大、土層條件不優(yōu)越的不規(guī)則大型基坑，開(kāi)挖前進(jìn)行基坑數(shù)值仿真分析，獲得基坑整體的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，以優(yōu)化和調(diào)整基坑支護(hù)方案十分有必要。

3" "基坑有限元仿真

按照?qǐng)D1所示的基坑模擬流程圖，聯(lián)合ANSYS及ABAQUS兩種大型通用有限元計(jì)算軟件，對(duì)車站基坑支護(hù)和開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬。采用*Geostatic（地應(yīng)力平衡）分析步驟模擬基坑開(kāi)挖前的初始地應(yīng)力場(chǎng)。采用*Model Change，Remove模擬土體分層開(kāi)挖，采用*Model Change、Add來(lái)模擬支撐體系架設(shè)。采用分區(qū)域“殺死”、“激活”的方式分步驟，模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程及支撐架設(shè)過(guò)程。計(jì)算分析步驟結(jié)束后，選取圖2所示的CX1、CX2、CX3、CX4等位置基坑位移值及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算值，同實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，以反映計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.1" "基坑模型簡(jiǎn)化

假設(shè)土體初始位移為零，各層土體采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型。基坑建模分析過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況假定，模型兩側(cè)邊界為水平位移為零，豎直位移無(wú)約束，模型底邊位無(wú)位移，模型頂部為自由端、無(wú)約束?；拥慕３叽鐬榭傞L(zhǎng)163.3m，深度為16.5m。寬度依據(jù)基坑形狀略有改變，分別選擇37.4m（Z1區(qū)寬）、33.5m（Z1、Z2區(qū)寬）及18.9m（標(biāo)準(zhǔn)段寬），未考慮東區(qū)擴(kuò)大寬度。

3.2" "模型參數(shù)選取

三維基坑模型仿真參數(shù)如表1和表2所示。

3.3" "仿真初始模型

有限元模型共有單元46700個(gè)單元，其中土體實(shí)體單元個(gè)數(shù)為36922個(gè)，接觸面單元數(shù)為6252個(gè)，連續(xù)墻殼單元個(gè)數(shù)為3126個(gè)，鋼支撐梁?jiǎn)卧獢?shù)為400個(gè)。有限元計(jì)算范圍長(zhǎng)×寬×高為666m×200m×64m。撐、地下連續(xù)墻、基坑被動(dòng)區(qū)的墻高為32m，開(kāi)挖深度為16.5m。三維基坑仿真模擬模型如圖4所示。

4" "仿真結(jié)果分析

4.1" "仿真基坑變形云圖

因模型比較大，選擇地下連續(xù)墻殼單元的位移情況來(lái)反映基坑整體變形性狀。圖5a為地應(yīng)力平衡效果圖，由圖5a可以看出，場(chǎng)地豎向位移達(dá)到10-14m級(jí)，表明地應(yīng)力平衡效果十分理想。圖5b、圖5c分別為地下連續(xù)墻U1、U2方向的位移云圖。由圖5b、圖5c可知，不管是U1還是U2方向的側(cè)移，在最終開(kāi)挖步連續(xù)墻的最大水平位移均出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖面附近。

圖5d為最終開(kāi)挖步下基坑底部位移變化云圖（U3方向位移）。由圖5d可知，坑底最大隆起位移首先出現(xiàn)在基坑擴(kuò)大段，隨后整個(gè)基坑底部都慢慢出現(xiàn)較大隆起量?；娱_(kāi)挖完畢后，坑底最大位移隆起量為100.0mm，與基坑立柱的實(shí)測(cè)隆起量平均值95.6mm接近，說(shuō)明了數(shù)值仿真模擬技術(shù)的正確性。

4.2" "計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1" "墻身位移

地下連續(xù)墻墻身位移曲線及與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖6所示。由圖6可知，最終開(kāi)挖步下，墻身的最大側(cè)向位移值出現(xiàn)在開(kāi)挖面附近出現(xiàn)，基坑實(shí)際監(jiān)測(cè)也得到類似的規(guī)律?；舆B續(xù)墻上的4#測(cè)斜管，對(duì)應(yīng)的位置為圖6中的CX1，12#測(cè)斜管對(duì)應(yīng)的位置為圖6中的CX3。將有限元計(jì)算得到的地連墻水平位移和測(cè)斜管實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻測(cè)斜位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合效果十分好，進(jìn)一步說(shuō)明采用該方法對(duì)車站基坑數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.2.2" "坑底隆起計(jì)算結(jié)果分析

5個(gè)開(kāi)挖步完畢時(shí)，西區(qū)基坑擴(kuò)大段底部土體的隆起位移變化曲線如圖7所示。因?yàn)閮啥擞袎w的側(cè)向約束作用，故坑底隆起位移值為中間大兩端小，這一曲線形態(tài)與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。位移曲線顯示出隨著土體開(kāi)挖深度變深，卸荷量變大，土體回彈量也變大，土體的隆起位移增大。5個(gè)開(kāi)挖步結(jié)束時(shí)，坑底最終的最大隆起位移量為100.0mm，與立柱實(shí)測(cè)的最大隆起位移值105.3mm比較接近?；觾蓚?cè)土體由于墻－土接觸摩擦作用，土體隆起位移增量比較均勻，平均值為10mm左右，最大隆起位移值為43.5mm，可見(jiàn)由于墻－土間的摩擦作用對(duì)基坑土體的隆起位移起到了一定，約束作用。

由數(shù)值分析的坑底隆起量較實(shí)際監(jiān)測(cè)值要偏大，是因?yàn)閷?shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，基坑分區(qū)開(kāi)挖至坑底時(shí)，會(huì)及時(shí)進(jìn)行底板澆筑及施作地下結(jié)構(gòu)。數(shù)值分析時(shí)，未考慮坑底土體隆起的加固措施，也未考慮實(shí)際的分區(qū)開(kāi)挖步驟，故數(shù)值計(jì)算結(jié)果會(huì)比實(shí)際工況的隆起量要大。計(jì)算結(jié)果的差異性，說(shuō)明模擬基坑開(kāi)挖時(shí)，進(jìn)一步考量基坑分區(qū)開(kāi)挖的時(shí)空效應(yīng)，才會(huì)得到更接近真實(shí)情況的坑底土體隆起位移量。

5" "結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)不規(guī)則地鐵深基坑建模難度高及計(jì)算分析過(guò)程復(fù)雜，分別取ANSYS前期建模準(zhǔn)確及ABAQUS非線性處理能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，提出聯(lián)合ANSYS及ABAQUS對(duì)不規(guī)則地鐵車站基坑進(jìn)行數(shù)值仿真。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，說(shuō)明了這一思路的可行，值得在大型復(fù)雜工程的計(jì)算分析中推廣與應(yīng)用。

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