深基坑工程变形控制及其影响因素的有限元分析

张永锋

【摘要】由于我国城市化建设步伐逐渐加速，其地下空间的应用范围不断扩大，导致深基坑工程大量出现。基坑工程实际建设的规模以及其开挖的深度都在逐渐扩大。在深基坑工程的施工过程中，其周围的地基可能会在不同程度上出现水位以及应力场的变化情况，这些情况还在一定程度上伴随着环境效应而出现。笔者针对深基坑工程变形控制等相关因素展开有限元分析，旨在为完善深基坑工程变形控制提供建议。

【关键词】深基坑工程；影响因素；有限元分析；城市化建设

我国社会和经济的发展促使人们的生活水平不断提升，城市化的建设标志着城市的进步，为人们提供更加便利的生活和工作条件。但是，因为城市化的发展，地下空间的实际运用范围在加大，深基坑工程增加，可能引发安全问题，出现破坏性影响，最终不利于整体经济的发展和生活水平的提升。

一、我国深基坑工程现状

目前，我国在基坑设计方法上主要是根据基坑自身支护的结构以及其强度和稳定性为基础，有效控制在强度控制设计的实际范围之内。除此之外，当前很多设计的方法都以基坑实际开挖的最后状态为基础，利用极限平衡的分析方式，有效验证基坑围护在展开设计的有关基础上的稳定性。但是，根据有关实践表明，这种情况和基坑开挖的实际情况并不相适应。近几年，我国有关专家人员在对于基坑工程的设计方面理论以及技术等方面都取得了一定的成绩。施工过程中的监测环节已经成为深基坑工程当中的一个较为主要的部分。工作人员在实际监测数据的环节中，对于其施工周围的环境信息进行了解，以便于提前设定恰当的对策处理一些可能发生的情况，减少工程施工过程中可能造成的损失。根据相关调查发现，近年来，在深基坑的操作方法上出现了一个称为逆作法的施工方式。另外，我国很多相关方面的专家和学者对于深基坑的研究已经进入了比较成功的阶段，他们能够有效结合国外的先进技术，再根据当地的实际环境特点，提出了具有高实用性的施工方案。

二、深基坑工程变形控制概述

（一）深基坑工程变形控制的表现形式和设计方案

深基坑工程变形控制自身存在着一定的特色，主要表现在两种不同的极限状态上，分别是满足深基坑的内部和外部环境的变形控制设计以及满足支护的实际结构以及土体的强度控制设计。深基坑工程变形控制还需要以当地实际强度控制狀态和条件为基本要素，并且在设计的环节中涉及到变形预测分析以及动态设计等。深基坑工程变形控制不但在实际的设计过程中存在，还在整个监测以及实际施工的过程当中有所体现。除此之外，很多变形控制的实际对象为支护结构体系以及其周围的环境。深基坑工程变形控制最为主要的目的是促使基坑变形能够实际满足坑周围的条件对于变形的主要需求。

基坑变形控制在设计方案上一般以变形分析为基础，可以分为正、反两种不同的分析设计方式。变形控制设计方法还可以在其计算方式和精度的基础上，将变形分析方案分类为经验半经验公式估算法以及解析法等。解析法实际的杆件有限元法在一般情况下适合使用在求支护结构位移当中。根据目前的实践结果可知，该变形控制设计方法在计算结果上并不足够理想，与当时的实际状况存在一定的差异性。出现差异性的主要原因在于以下几点：首先，土体本身的本构模型在实际模拟其性质的过程中有几个不同的方面以及程度上的差别；土体本身的参数因为一些原因导致其尚且不能获得比较准确的答案。但是，在经过了有关人员的实践和研究之后，经验得到了积累，很多不符合实际以及数据不够精准的问题都逐渐得到解决。

（二）变形控制策略和准则

首先，变形控制的准则是基坑自身变形控制设计以及施工的主要参量，其中涉及到位移以及速率等问题。从目前的情况来看，起在变形控制的标准上并不能给出准确的答案。笔者主要根据部分地区对于深基坑支护的实际技术规定，再借鉴前人的经验，在分析了当地的实际自然条件之后，对相关的参考标准进行总结。在允许变形确定的问题上，一般使用的是经验比值以及变形绝对量等方法。

其次，在变形控制的策略上，主要包含三点。第一，将变形控制技术完全应用在最初的设计方案内，第二，在实际的施工过程中将时空效应相关理论控制变形作为参考；第三，施工监测环节中需要对于可能发生的紧急情况进行预防。

三、有限元分析方法的研究和实践

（一）有限元分析方法

基坑变形的有限元分析方式主要有两个，为弹性杆系有限元法以及连续介质有限元法。弹性杆系有限元法指的是将围护墙作为重要的研究对象，并且将其作为一竖向设置的所谓弹性地基梁，能够将各道的支撑视作为一种弹簧支座增加至围护墙之上。连续介质有限元法将土体和支护结构连同建模，在施工的过程中将桩土相互之间的作用考虑在内，这样能够求得支护结构变形以及内力。

（二）有限元分析方法的模拟

有限元分析方法的模拟是深基坑工程变形控制影响因素分析的重要部分。本文采用的有限元分析方法的模拟系统为有限元数值模拟系统。这个系统主要分为四个部分，分别是支护结构设计方面、有限元数值模拟方面、数值分析方面以及概预算方面。有限元数值模拟系统自身具备强度控制以及变形控制等几个重要的特点。另外，该模拟的坐标系以及方案如下图1所示。其中，支护结构一般使用的是梁单元，桩土之间一般使用Goodman节理单元。另外，土体使用的是弹塑性本构模型。其中深度是18cm，长和宽都大于3H深基坑。系统随机搜查优选的方案，并且进行有限元数值的模拟。在相同的方式指导下，将不同深度的深基坑进行设计的计算以及分布展开开挖模拟。模拟结果发现相应的基坑桩锚支护体系，如果土性参数不变，即便支护方案变化，且各个不同方案当中模拟的最大沉降以及最大隆起等都不相同，其中的最大沉降以及最大水平移位相关的比值较为稳定。

图1 有限元数值模拟系统的坐标系与方案

结语：

深基坑工程属于一项比较复杂的系统性工程，该工程的实际操作需要考虑到很多类似环境的因素。该工程的完成需要具备一个完善的操作系统，包含设计以及实施等部分，完善的规划系统对于工程的展开有重要作用。笔者主要针对深基坑工程及其影响因素的有限元展开分析，希望能够为促进工程建设、降低施工压力以及提高施工的成功率提供帮助。

参考文献：

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