基坑开挖支护力学性能分析

（吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春130118）

摘要：深基坑开挖过程中支护结构的变形会对基坑整体稳定性产生不利的影响。本文以某基坑支护为例，利用ABAQUS有限元软件对基坑和开挖下的支护结构进行力学分析，研究不同支护结构的变形特点及规律，从而进一步得到基坑整体的变形，以获得支护结构对基坑整体变形的影响。同时，在结构整体安全得到满足的情况下，通过分析得到的应力应变图，找到结构产生最大应力、变形的位置。根据ABAQUS有限元软件得到的分析计算结果，为实际情况下基坑开挖施工提供了理论依据和方法。

关键词：基坑；支护；有限元方法；力学分析

中图分类号：TU473.2" " " " "文献标识码：A 文章编号：

Analysis of Mechanical Properties of Foundation Excavation Support

DING Ye，SHA Lirong*

（School of Civil Engineering， Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130118，China）

Abstract：In the process of deep foundation pit excavation， the deformation of the support structure can adversely affect the overall stability of the pit.This paper takes a certain foundation pit support as an example， utilizing the ABAQUS finite element software to carry out a mechanical analysis of the foundation pit and the support structure under excavation. The study focuses on the deformation characteristics and patterns of different support structures， thereby further obtaining the overall deformation of the pit to determine the impact of the support structure on the overall deformation of the foundation pit. Furthermore， while ensuring the overall safety of the structure， the stress-strain diagrams obtained from the analysis are used to locate the positions where the structure experiences maximum stress and deformation. Based on the analysis and calculation results obtained from the ABAQUS finite element software， theoretical foundations and methods are provided for the actual construction of foundation pit excavation.

Keywords：foundation pit；support；finite element method；mechanical analysis

0 引言

随着环保理念的不断普及，社会更加注重可持续发展和资源的合理利用。同时，城市化进程使得地上空间越来越紧缺。基于此，地下空间成为备受关注的领域。随着时代的进步和地下空间方面的利用，地下环境的复杂性也在逐步提升，加大了基坑工程的支护难度。因此，在地下环境复杂多变的情况下，如何选择合适的支护结构是当前需要解决的问题。在做好充分准备并采取相应措施后，才能更好地发挥地下空间应用价值，并实现可持续、高效、安全、环保等目标。

近年来，国内外学者对基坑支护的选型进行了研究，汪增超等[1]研究了基坑支护选择的重要性，把基坑支护结构分成四类，并分别阐述了各支护结构的优缺点和应用范围等；何渊等[2]通过工程实例对模糊随机可靠度的计算方法进行了研究，并在ABAQUS上建立了土钉支护结构的有限元模型，研究了土钉的布置与支护效果之间的关系；来刘阳[3]以黄土区为例，选择几个指标，建立基坑支护结构的综合评估系统，优化基坑支护方案；张旭群等[4]利用三维数值模拟技术，对相邻隧道的基坑开挖进行模拟，分析开挖后的改变，从而评价基坑开挖对相邻隧道的影响。

本文以成都市天府新区某基坑支护工程设计为研究背景，详述基坑支护设计方案，经ABAQUS计算，获取基坑监测实测数据并进行分析，研究基坑在开挖至坑底工况下，支护结构的受力特点和变形规律。

1 ABAQUS简介

ABAQUS是一款适用于各种复杂非线性问题的工程仿真软件。ABAQUS包含了一个能仿真任意几何形状的完全单元库。同时，软件还建立了各种材料的数据库，能够对典型的工程材料进行仿真。ABAQUS是一种通用的数值模拟软件，不但能处理很多复杂的结构（应力/位移）问题，还能对其他工程中的很多问题进行数值模拟，如热传导，质量扩散，热电耦合，声学，岩土（渗流/应力），压电等。ABAQUS给用户带来了很多方便快捷的功能。利用多种选项块的组合，可以对许多复杂的问题进行仿真。一个复杂的多部件问题，可以用一个确定各部件几何大小的选项框和一个对应的材质属性选项框来建模。在大部分仿真中，甚至在处理高度非线性问题时，使用者只要给出几个工程参数，如结构的几何形状、材料特性、边界条件和载荷条件。利用ABAQUS软件进行非线性分析时，可自动选取对应的加载增量及收敛点。它不但可以选取适当的参量，而且在解析的时候可以随时调整参量，以确保解的高效和精确。在此基础上，对所得到的数值结果进行详细分析。

相比较另一款软件ANSYS：ANSYS的主要目的是扩大其应用范围，并在流体、电磁场以及多场耦合中得到了广泛的应用。ABAQUS软件主要关注的是结构力学和相关领域，它的目标是解决实际问题。这两种方法都可以很好地求解一般的线性问题，而且在模型规模、计算过程和计算速度上没有太大的差别。而ABAQUS程序在求解非线性方程时，由于其具有较强的智能求解能力，能够很好克服其它方法所不能克服的非线性方程，并且具有快速、简单、易用等优点。

2 工程概况及基坑支护方案选取

2.1 工程概况

该基坑场地位于成都市天府新区，下邻武汉路，左靠牧华街，预建地下室4层，深度约22.6 m，地上约200 m的超高层住宅，基坑边界约105 m×50 m，地铁一号线位于基坑南侧18 m左右。 该建筑地理位置平面布置图如图1所示。

2.2 基坑支护方案选取

根据水文地质、工程地质、施工场地条件和基坑周边环境要求等因素，参照基坑支护成功经验和各种基坑支护结构适用条件，本次基坑支护选择地下连续墙和钻孔灌注桩结合锚杆形式，其中水平支撑主要是钢筋混凝土支撑。

1） 地下连续墙：在泥浆护壁的保护下，使用专用的成槽工具开挖深槽，随后放置钢筋笼，用导管浇筑水下混凝土形成的混凝土墙，以上工作都是在基坑开挖前准备。地下连续墙的大部分厚度为600 mm～1 200 mm，使用多头挖槽机开挖，接头主要使用十字钢板和锁口管等形式[5]。

2） 钻孔灌注桩：钻孔灌注桩是先在地层上用机械设备或者人力钻出一个需要的桩孔，随后将制作好的钢筋笼放入桩孔中，再对其进行灌注和浇筑混凝土，养护一段时间后，即形成钻孔灌注桩[6]。

3） 锚杆：锚杆支护在当前的工程实例中较为常见，它适用于超过7 m的大部分深度地基坑。这种支护方法主要通过锚杆连接地基坑中的岩石和土壤，用竖立的支撑结构支撑。抛开锚杆支护单独使用的情况，在实际工程中，锚杆经常与其他支护结构一起使用，例如：地下连续墙和钻孔灌注桩等，具体使用情况需按照实际情况确定。

4） 钢筋混凝土支撑：钢筋混凝土支撑具有高刚性、高强度和小变形，其断面大小及布置形式可根据具体要求灵活选择；但是，在钢筋混凝土支撑架设时，必须在混凝土强度达到一定水平后，才能继续挖掘，需要花费很长的时间，而且拆除钢筋混凝土支撑较为麻烦[7]。

按该基坑面积，该工程属于较大工程，基坑深度为22.6 m，属于深基坑，基坑南侧18 m处埋设地铁一号线，所以基坑南面适合地下连续墙施工方式；基坑西侧同样采用地下连续墙的做法进行施工；因基坑北侧以及东侧边界处无特殊情况，采用钻孔灌注桩结合锚杆的方法；基坑内部采用钢筋混凝土支撑。

3 有限元分析

运用ABAQUS有限元分析软件建立基坑支护的实体单元，采用三维实体单元8节点缩减积分C3D8R进行模拟。模拟中不考虑混凝土的本构关系，只提出了弹性假设。其中土体只考虑了自重为10 N/kg，土体的密度为1.5 kg/m？，杨氏模量为1.5×108" Pa，泊松比为0.25，由于是基坑工程，设置了摩尔-库伦塑形，其中的摩擦角为8°，膨胀角为0.1°。

3.1 地下连续墙的应力和位移分析

通过后处理查看地下连续墙有限元分析的结果，获得应力云图和位移云图（见图2～图3）。

通过应力云图2看出，开挖到坑底时，底线连续墙应力较大的位置在基坑底部，顶部应力基本变化不大，其中最大的应力为2.094×107 Pa；通过位移云图3看出，在地下连续墙的中部位移最大，顶部和两侧的位移最小，其中最大的位移为0.057 8 m，都是发生在基坑的底部偏中的位置。由最大应力和最大位移可知，结构安全。

3.2 钢筋混凝土支撑的应力和位移分析

图4为后处理钢筋混凝土支撑的有限元分析结果。

通过图4（a）可以看出，开挖到坑底时，钢筋混凝土内支撑应力较大的位置在基坑底部，有较小部分在中部，其中最大应力为5.496×107 Pa；图4（b）可以看出，位移较大的同样在基坑底部，端部也有较小部分变形，其中最大位移为0.053 3 m。由最大应力和最大位移可知，结构安全。

3.3 钻孔灌注桩结合锚杆的应力和位移分析

钻孔灌注桩的材料是混凝土，锚杆的密度为7.85 kg/m3，其中的杨氏模量为2.06×1011 Pa，泊松比为0.3。

图5为后处理后钻孔灌注桩结合锚杆的有限元分析结果。

通过图5（a）可以看出，开挖到坑底时，钻孔灌注桩的应力分布比较均匀，大部分的应力主要是被锚杆承担，其中锚杆的最大应力主要分布在基坑中部偏下和基坑底部偏中的位置，其中最大应力为2.106×108 Pa；通过图5（b）可以看出，钻孔灌注桩的最大位移主要分布在基坑中部偏下的位置，其中最大位移为0.049 8 m；锚杆的位移变形较小。由最大应力和最大位移可知，结构安全。

3.4 整体结构的应力和位移分析

基于上述分析，最后对工程开挖到基坑坑底进行整体受力分析。" "图6为后处理后整体结构的有限元分析结果。

通过图6左（a）可以看出，在开挖到坑底时，地下连续墙、混凝土水平支撑和钻孔灌注桩所受到的应力都不大，只有在最后一层底层的结构所受到的应力较大，整体没有受到太大影响，但是，只有锚杆所受到的应力最大，大部分都集中于铺设在最后两层的锚杆上，其中应力最大的位置在最后两层的中部，最大的应力为2.106×108 Pa；通过图6（b）可以看出，在开挖到坑底时，混凝土水平支撑所受到的应力最小，与其他支护结构不同的是，其应力较大的位置是在与其他支护结构相交的位置，其次应力较大的是钻孔灌注桩结合锚杆，这种支护结构应力较大位置主要体现在钻孔灌注桩上面，位置是在基坑底部偏中，最后应力最大的是地下连续墙，其中应力主要集中在底部的中间位置，类似于顶端和钻孔灌注桩相结合的位置反而应力并不大，整体结构最大的位移为0.057 8 m。根据整体结构的应力、位移有限元分析结果显示可知，该结构可靠安全。

4 结语

本文利用ABAQUS构建数据模型时，为了从整体进行分析和突出问题重点，从而简化了基坑周边的环境、土体与自身状况。进行了一系列假设，最后对软件处理后的结果进行结构应力和位移的分析。从应力云图和位移云图上可以看出，位移变形都会发生在基坑底部的位置，底部的压力较大，但均符合基坑检测报警值的范围。

参 考 文 献

[1]汪增超，朱爱军.基坑支护形式选型与优劣研究[J].黑龙江科技信息，2016（35）：236-237

[2]何渊，廖瑛.深基坑土钉支护结构的稳定性分析及三维有限元数值模拟[J].苏州：苏州科技大学学报（工程技术版），2017，30（2）：6-12.

[3]来刘阳.黄土地区深基坑支护方案优选及施工仿真分析[D].西安：西安理工大学，2018.

[4]张旭群，隋耀华，林沛元.基坑开挖对临近地铁隧道安全运营评估[J].广东：广东土木与建筑，2021，28（12）：41-45.

[5]谢海滨.桂林某学校红黏土深基坑开挖变形分析[D].桂林：桂林理工大学，2022.DOI：10.27050/d.cnki.gglgc.2022.000168.

[6]陈汉文.钻孔灌注桩桩端后注浆施工工法及承载力的研究[D].淮南：安徽理工大学，2022.DOI：10.26918/d.cnki.ghngc.2022.000104.

[7]裴宝家.土岩组合地层深基坑稳定性及支护结构优化研究[D].淮南：安徽建筑大学，2021.DOI：10.27784/d.cnki.ghjz.2021.000115.

编辑：王国岩

基金项目：吉林省科技厅重点研发项目（20220203072SF）；吉林省自然科学基金 （YDZJ202201ZYTS407）

作者简介：丁邺（1998～），男，安徽省合肥市人，研究生硕士，研究方向：结构工程。

*通信作者：沙丽荣（1972～），女，吉林省长春市人，副教授，博士，研究方向：固体力学。