基于ANSYS的软土基坑支护工程仿真应用研究

丁晓斌　（安徽水利开发股份有限公司，安徽　蚌埠　233000）

基于ANSYS的软土基坑支护工程仿真应用研究

丁晓斌（安徽水利开发股份有限公司，安徽蚌埠233000）

考虑基坑支护结构应力场和变形微分方程的可比拟性，根据控制平衡方程及定解条件，运用ANSYS软件中“生死”单元技术及网格自适应功能，对具有显著流变特性的软土基坑支护结构及岩土的应力和变形进行数值模拟。计算成果表明，该方法能够有效地分析软土的复杂性状及边界条件、材料的非线性和几何非线性［2］，可为同类工程设计、施工提供参考。

基坑支护；软土；仿真应用；有限元分析

1　概述

由于软土基坑特殊的区域地质条件、破坏特征的多变性和复杂性，对基坑支护和变形控制带来诸多的不利因素，目前软土基坑的支挡结构设计大都仍沿用古典土压力理论（库仑、朗金土压力理论），实践证明这种设计方法大都偏于保守［2］，而且此种设计对土体变形时效无法加以考虑。随着土方开挖，支护结构体系和外部荷载不断变化，基于软土压缩性较大、抗剪强度低、流变性十分显著等特点，利用有限元程序模拟整个施工过程，并对支护结构进行计算和分析具有极其重要的意义。

2　数值模拟

2.1基本原理

基坑刚性支护结构三维有限元数值模拟，是根据弹性力学中应力应变及虚功原理［2］，应用应力场的叠加原理，将真实的连续结构或介质用有限个仅在结点处铰接联系的离散单元的组合体来代替，并使这些单元按变形协调条件联系，通过建立和求解整体平衡方程得出结点位移，并根据应变、应力与结点位移之间的关系分别得出相应的成果。

2.2数值分析

岩土和用于支护结构的混凝土等材料都属于颗粒状材料，此类材料受压屈服强度远大于受拉屈服强度，且材料受剪时，颗粒会膨胀，此处采用弹塑性模型（Druker-Prager模型）可得到较为精确的结果。破坏准则采用Willianm-Warnke破坏准则。

支护结构所用混凝土和岩土单元均采用Solid45单元，由于考虑桩土共同作用，随着土体开挖，围护结构受力不断增大，一般情况下要打开大位移且设置牛顿-拉普森选项为Full N-R。

3　工程应用

3.1支护结构及岩土参数

采用ANSYS有限元分析方法，针对某基坑刚性支护结构与相关岩土参数进行了支护结构稳定性及变形计算。模拟范围和计算参数如下：基坑围护采取钻孔灌注桩支护结构（见图1）。基坑开挖坑深6.00m，基坑尺寸为40m（短边）×80m（长边），基坑围护结构采用φ600@1000钻孔灌注桩，桩长为15.00m，桩项设置800mm×500mm冠梁，混凝土强度等级为C30。计算时考虑施工超载15kPa，各土层岩土物理力学指标见表1。

图1　灌注桩剖面示意图

岩土物理力学指标　表1

3.2有限元计算

在有限元模型中，岩土和围护结构采用8节点的SOLID45实体单元模拟，实体单元采用扫掠（SWEEP）划分方法将实体划分为相对规则的六面体单元。因该基坑为规则的对称形状，通过ANSYS有限元程序计算，将1/4基坑数值模拟结果进行提取计算分析。

3.3成果分析

通过软土基坑数值模拟，得到开挖后基坑长边方向不同位置处灌注桩桩体的位移值（X为距角点的距离），见图2；同时得到基坑长边方向跨中位置灌注桩桩体沿深度方向的弯矩，见图3。

图2　基坑长边方向桩体位移

图3　基坑长边方向跨中桩体弯矩

由图2可知，随着距角点距离的增大，桩体水平位移不断增大，即跨中位移呈现最大值，并且随着开挖深度的增加，桩体中下部的位移发展很快，开挖终了时，最大的侧向位移发生在距桩顶6m附近；由图3可知，跨中位移最大处灌注桩的最大弯矩值出现在距桩顶4m处，之后随深度的增加弯矩值逐渐减小。

为防止土体被扰动后产生较大变形［3］，施工分三步开挖，每次开挖2m。基坑开挖后，由于基坑外围土体发生松动，围护结构产生变形且应力增大、基坑外围地表产生沉降、位移。

图4　开挖至坑底（6m）的坑壁应力等值线图

图5　开挖至坑底（6m）的基坑水平位移云图

由图4可知，随着开挖深度的增加，灌注桩受力逐渐增大，开挖结束时，最大应力发生在距桩顶4m以下；由图5可知，地表塑性区向后和向深部延伸，同时在坑底也开始出现塑性区，分析其原因由于软土的压缩性较大，基坑开挖后，侧向变形受阻，而产生了一个更深部的旋转滑移面和坑底隆起。

3.4实例验证

将基坑长边六根灌注桩水平位移计地表沉降数值模拟成果和施工过程中的实际监测数据进行比较，验证该数值模拟方法的可靠性，详见模拟数据与监测数据对比图。

由图6所示，数值模拟成果和基坑监测数据对比可看出，基坑模拟数据和施工中的监测结果相差不大，变形趋势基本一致。

现将长边跨中位移最大处的灌注桩沿深度方向的水平位移数值模拟成果值与监测数据进行比较，见图7。

图6　灌注桩模拟成果值与实际监测成果对照图

图7　长边方向跨中灌注桩水平位移

由图7可以看出，由于软土的流变特性，桩的最大位移并非发生在桩顶，而是发生在距桩顶3m以下部分，与实际情况相符，所以三维有限元模拟分析成果和基坑真实情况在整体上相吻合。

4　结语

深基坑支护及开挖过程的数值模拟，与传统的弹性法相比较，可以得出比较符合实际的模拟结果，同时能够对弹性法无法表达的基坑整体的变形、土体的位移、应力场的变化进行模拟分析。计算分析成果显示：

①考虑软土流变性对支护结构数值模拟及合理选择支护型式具有重要作用；

②采用有限元工具软件中结构分析功能可以简便、精确的计算分析围护结构及土体各部分应力应变及位移等问题，提供能够比较直观反映实际情况的云图，为设计施工等提供理论依据；

③数值模拟对于具有复杂边界条件、材料的非线性和几何非线性等情形的基坑刚性支护桩土共同作用分析计算尤其适用；

④采用适应性较强的有限元法模拟基坑整个施工过程，对灌注桩所受内力作准确计算，可以对其应力、应变关系为工程进行适时支护提供指导。

［1］陈忠汉，黄书秩，程丽萍.深基坑工程（第二版）［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［2］杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用［M］.北京：地质出版社，2003.

［3］JGJ120-99，建筑基坑支护技术规程［S］.

［4］赖永标，胡仁喜，黄书珍.ANSYS11.0在土木工程中的应用［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［5］章根德.土的本构模型及其工程应用［M］.北京：科学出版社，1995.

［6］张引平.浅谈深基坑支护结构设计计算［J］.科技情报开发与经济，2004（4）.

［7］王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践［M］.西安：西北工业大学出版社，2000.

TU753.8

B

1007-7359（2016）04-0169-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.067

丁晓斌（1982-），男，安徽蚌埠人，毕业于安徽理工大学，本科，工程师。