基于ABAQUS基坑支護數值模擬與實測數值研究

羅振宇 李春清 李萌 曾凡靜

摘 要：為了準確評估基坑開挖過程中的土體變形、受力特性及支護對開挖基坑的加固影響規律，利用ABAQUS軟件建立了二維有限元數值模型，對基坑開挖和支護過程中的變形和受力進行了數值模擬，并對比分析了現場監測數據和數值模擬結果，模擬計算所得土體、圍護結構的位移與監測值進行對比分析，發現數值模擬結果與監測數據吻合較好，說明所建模型的正確性及該數值模擬與實際情況有較高匹配度，研究結果可為深基坑土方的開挖、支護提供理論依據。

關鍵詞：有限元模型；數值模擬；監測數據；對比分析

中圖分類號：U448.27 文獻標志碼：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的高速發展，基坑工程中發生事故的概率逐漸上升，基坑工程因此越來越重視[1]。目前國內對于基坑安全穩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生的位移、應變等。土抗力法僅考慮三種極限狀態下的土壓力，即主動、被動和靜止土壓力，由于假設條件為完全彈性、平面滑裂等情況，導致計算結果與實際情況相差甚遠[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，它不僅可以分析應變、位移等數據，還可以處理分析區域的復雜特征和邊界條件[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條件、水文條件、施工場地條件及周圍建筑物應力重新分布的基礎上，依據現場監測勘查報告數據，結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方案，為實際工程提供指導建議。

1 基坑支護數值模型建立

1.1 基本假定

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

高度為樁長的2倍以上，本次支護樁的長度15.4m，入巖深度為3m，因此模型寬度為100m，深度為100m，基坑形狀為對稱結構，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，選擇梁單元進行分析計算，建立ABAQUS二維線型模型，樁的模型參數見表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到初始應力狀態。當全部巖土體內力計算穩定以后，嵌入灌注樁模型，然后進行基坑開挖，并依次進行錨桿支護措施。

根據現場實際施工狀況，可分為以下幾個步驟：

第一步：初始地應力階段，在基坑周圍地面增加荷載，用來模擬初始應力狀態。

第二步：創建灌注樁，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 土體數值模擬結果分析

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。隨著基坑開挖深度的不斷增大，被支護的土體水平位移逐漸遞增，隨著時間的推移外側的土體有向基坑內水平滑動的趨勢；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出非線性遞減小的趨勢，在基坑邊緣位置，水平位移達到最大，最大位移為3.3mm，當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生隆起，而基坑外側的巖土體則會產生沉降，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，使得基坑內側及坑底的原始應力的巖土應力分布發生變化，從而造成基坑巖土體產生向上的位移，即產生基坑隆起。另外，由于基坑內側的巖土體被挖出，基坑外側的巖土體會產生向基坑內側的相對滑動，使得外側的巖土體的豎向位移發生變化，即外側巖土體的沉降。

一般在基坑開挖過程中，兩個方面的原因很可能會導致基坑底部的隆起，一是基坑的開挖，巖土體移除導致應力重分布，繼而致使基坑底層土體向上反彈；二是基坑外側土體在土壓力作用下，造成支護樁和基坑外側的巖土體向基坑內傾斜，最終導致土體從基坑底部出現了隆起。實際土方開挖施工中，在基坑支護結構施工之前，基坑底部的隆起情況會更加明顯，并且短時間內出現隆起，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定的數值。

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定在一個數值水平，不再隨開挖深度繼續增大，當開挖深度為0-13m時，基坑隆起逐漸增大；之后基坑底部隆起量不再繼續增加而是趨于穩定，其最大隆起量為14.2mm?；油鈧鹊呢Q向沉降量隨著距基坑邊緣距離的增大呈現出先增大后降低的變化趨勢，當距基坑邊緣距離為0-9m時，基坑外側沉降量逐漸增大，其最大值為14.1mm；當距離大于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增大，而是維持一定數值趨于穩定。

2.3 支護樁施工后的位移

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

3 數值結果和監測數據的對比分析

通過對施工現場深基坑土方開挖過程的實時動態監測，獲得支護樁結構物實際監測數據，結合ABAQUS模型計算所得數據，土體模擬數值與檢測數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）。

圍護結構以內的巖土體的監測值與有限元數值分析的結果趨勢大致相同，其中最大的水平位移出現在維護結構中下部位置，最大值為3.6mm，數值模擬結果與現場監測結果大致相同，說明此模型可以有效準確的模擬實際工程。

4 結論

（1）基坑圍護結構外側的土體最大水平位移出現在基坑側壁處，隨著距基坑側壁的距離的增大而逐漸減小，最終減小到零?；油鈧韧馏w的豎向位移隨距基坑側壁距離的增大呈現一種拋物線的形狀，土體的最大豎向位移出現在距離基坑側壁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隆起現象，其基坑底中間位置隆起的最高，向基坑四周呈現拋物線的形式，所以支護樁位置處巖土體隆起最低。（3）基坑圍護結構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在基坑中下部的位置；且基坑圍護結構的彎矩和拉應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結構的彎矩和拉應力出現突變，這說明了設置錨桿支撐對支護結構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結構的水平位移的有限元模擬值與監測值進行對比分析，發現數值模擬結果與監測數據呈現相同趨勢，說明所建立的模型正確且該數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、支護結構位移及應力變化等問題具有借鑒意義。

參考文獻：

[1]李鐘.深基坑支護技術現狀及發展趨勢[J].巖土工程界，2001（1）：42-45.

[2]王曉楠，王建良.深基坑支護結構內力與變形研究進展[J].科學技術與工程，2012，12（21）：5242-5248.

[3]陳鏡.軟土地區深基坑坑底抗隆起穩定性分析[D].武漢理工大學，2013.

[4]涂芬芬.不同超載狀態下深基坑支護結構的計算與分析[D].合肥工業大學，2009.

[5]許錫昌.土壓力問題與基坑變形分析[D].中國科學院研究生院（武漢巖土力學研究所），2004.