基于Abaqus基坑支护数值模拟

贾晓风

摘要：为了准确评估基坑开挖过程中的土体变形、受力特性及支护对开挖基坑的加固影响规律，利用ABAQUS软件建立了二维有限元数值模型，对基坑开挖和支护过程中的变形和受力进行了数值模拟，并对比分析了现场监测数据和数值模拟结果，模拟计算所得土体、围护结构的位移与监测值进行对比分析，发现数值模拟结果与监测数据吻合较好，说明所建模型的正确性及该数值模拟与实际情况有较高匹配度，研究结果可为深基坑土方的开挖、支护提供理论依据。

关键词：有限元模型;数值模拟;监测数据;对比分析

前言

随着我国城市化建设的高速发展，基坑工程中发生事故的概率逐渐上升，基坑工程因此越来越重视[1] 。目前国内对于基坑安全稳定性计算方法主要有三种，包括有极限平衡法、土抗力法和有限元法等。极限平衡法运用广泛，其原理相对较简单，但是它无法分析研究检测过程中产生的位移、应变等。土抗力法仅考虑三种极限状态下的土压力，即主动、被动和静止土压力，由于假设条件为完全弹性、平面滑裂等情况，导致计算结果与实际情况相差甚远[2] 。有限元法相比于极限平衡法和土压力法就显得比较灵活，它不仅可以分析应变、位移等数据，还可以处理分析区域的复杂特征和边界条件[3-5]。

一 基坑支护数值模型建立

1 基本假定

为了突出问题本质，作如下假设：（1）假设模型中岩土体是均匀的、各向同性的弹塑性体，按照平面应变单元计算;（2）假设支护结构为完全弹性体;（3）因为采取了基坑降排水措施和设有止水帷幕，所以在基坑开挖的过程中不存在渗流的影响，（4）假设未进行开挖的土方在自身重力作用下保持固结状态，不关注土体最初的应力情况;（5）假设施工的过程中，对基坑周围土体的力学情况未造成影响。

高度为桩长的2倍以上，本次支护桩的长度15.4m，入岩深度为3m，因此模型宽度为100m，深度为100m，基坑形状为对称结构，取基坑的一半建立二维平面模型，岩土体均采用弹塑性模型，塑性模型采用库伦摩尔模型，单元类型选用平面应变模型。

2 桩的几何模型建立

本次桩的模型采用ABAQUS软件中的线性梁单元（B21）模型来模拟灌注桩的受力，桩模型采用线弹性模型，选择梁单元进行分析计算，建立ABAQUS二维线型模型。

3 工況分类

在施工之前，岩土体在自身重力的作用下达到初始应力状态。当全部岩土体内力计算稳定以后，嵌入灌注桩模型，然后进行基坑开挖，并依次进行锚杆支护措施。

根据现场实际施工状况，可分为以下几个步骤：

第一步：初始地应力阶段，在基坑周围地面增加荷载，用来模拟初始应力状态。

第二步：创建灌注桩，即梁单元，灌注桩于周围岩土体接触类型均为摩擦接触，材料类型为C30混凝土。

第三步：（1）开挖第一道岩土层，将基坑开挖到深度2.7m处，在深度2.2m的地方加设锚杆支撑。（2）开挖第二道岩土层，将基坑开挖到深度4.9m处，在深度4.4m的地方加设锚杆支撑。（3）开挖第三道岩土层，将基坑开挖到深度7.1m处，在深度6.6m的地方加设锚杆支撑。（4）开挖第四道岩土层，将基坑开挖到深度9.3m处，在深度8.8m的地方加设锚杆支撑。（5）开挖第五道岩土层，将基坑开道挖深度12.4m处，完成基坑开挖。

二 土体数值模拟结果分析

1 土体的水平受力及位移分析

采用有限元模拟得到不同工况下的岩土体水平位移云状态。随着基坑开挖深度的不断增大，被支护的土体水平位移逐渐递增，随着时间的推移外侧的土体有向基坑内水平滑动的趋势;此外，处在基坑外围的土体水平位移随着离基坑边缘的距离增大呈现出非线性递减小的趋势，在基坑边缘位置，水平位移达到最大，最大位移为3.3mm，当距离基坑边缘距离为25m时，其水平位移减小到0.62mm。

2 岩土体的竖向受力及位移分析

隨着岩土体每次的开挖，基坑坑底的土体便会产生隆起，而基坑外侧的岩土体则会产生沉降，究其原因是随着基坑岩土体的开挖，基坑自重荷载不断减少，使得基坑内侧及坑底的原始应力的岩土应力分布发生变化，从而造成基坑岩土体产生向上的位移，即产生基坑隆起。另外，由于基坑内侧的岩土体被挖出，基坑外侧的岩土体会产生向基坑内侧的相对滑动，使得外侧的岩土体的竖向位移发生变化，即外侧岩土体的沉降。

一般在基坑开挖过程中，两个方面的原因很可能会导致基坑底部的隆起，一是基坑的开挖，岩土体移除导致应力重分布，继而致使基坑底层土体向上反弹;二是基坑外侧土体在土压力作用下，造成支护桩和基坑外侧的岩土体向基坑内倾斜，最终导致土体从基坑底部出现了隆起。实际土方开挖施工中，在基坑支护结构施工之前，基坑底部的隆起情况会更加明显，并且短时间内出现隆起，但是伴随着锚杆施工完毕，岩土体受到水平和竖向位移的限制隆起量逐渐减小且慢慢趋于一个稳定的数值。

随着基坑开挖深度的不断增加，基坑底部的隆起竖向位移先非线性增加最后稳定在一个数值水平，不再随开挖深度继续增大，当开挖深度为0-13m时，基坑隆起逐渐增大;之后基坑底部隆起量不再继续增加而是趋于稳定，其最大隆起量为14.2mm。基坑外侧的竖向沉降量随着距基坑边缘距离的增大呈现出先增大后降低的变化趋势，当距基坑边缘距离为0-9m时，基坑外侧沉降量逐渐增大，其最大值为14.1mm;当距离大于9m时，沉降量会逐渐降低至2.2mm，超过15m后，基坑竖向沉降量不再继续增大，而是维持一定数值趋于稳定。

3 支护桩施工后的位移

隨着基坑岩土体的开挖，围护结构水平位移的最大值逐渐从桩顶逐渐向下减小，最后稳定在基坑开挖完成后深度的2/3处的位置，模拟的结果与实际的情况比较相符，开挖至基坑底部使支护桩的水平位移随着深度的变化。基坑开挖施工结束后，支护桩的顶端水平位移呈现出先增大后减小的变化趋势，且产生的最大水平位移为3.6mm。

三 结论

（1）基坑围护结构外侧的土体最大水平位移出现在基坑侧壁处，随着距基坑侧壁的距离的增大而逐渐减小，最终减小到零。基坑外侧土体的竖向位移随距基坑侧壁距离的增大呈现一种抛物线的形状，土体的最大竖向位移出现在距离基坑侧壁6m的位置处，之后慢慢减小到零。（2）基坑底部的土体在开挖完成后会呈现隆起现象，其基坑底中间位置隆起的最高，向基坑四周呈现抛物线的形式，所以支护桩位置处岩土体隆起最低。（3）基坑围护结构的水平位移随深度变化为两边大中间小的趋势，而最大水平位移一般出现在基坑中下部的位置;且基坑围护结构的弯矩和拉应力随深度的变化受锚杆的作用较为明显，在锚杆位置处基坑围护结构的弯矩和拉应力出现突变，这说明了设置锚杆支撑对支护结构的受力有着明显的改变。（4）将有限元软件计算所得的岩土体的竖向位移和围护结构的水平位移的有限元模拟值与监测值进行对比分析，发现数值模拟结果与监测数据呈现相同趋势，说明所建立的模型正确且该数值模拟与实际情况基本吻合，这对于其他项目的深基坑土方开挖、支护结构位移及应力变化等问题具有借鉴意义。

参考文献：

[1] 李钟.深基坑支护技术现状及发展趋势[J].岩土工程界，2001（1）：42-45.

[2] 王晓楠，王建良.深基坑支护结构内力与变形研究进展[J].科学技术与工程，2012，12（21）：5242-5248.

[3] 陈镜.软土地区深基坑坑底抗隆起稳定性分析[D].武汉理工大学，2013.

[4] 涂芬芬.不同超载状态下深基坑支护结构的计算与分析[D].合肥工业大学，2009.

[5] 许锡昌.土压力问题与基坑变形分析[D].中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所），2004.

（作者单位：河北工程大学）