Abaqus，Plaxis与GTS在模拟基坑开挖中的效果对比

张开伟 李志勇 张力峰

(河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄 050031)



Abaqus，Plaxis与GTS在模拟基坑开挖中的效果对比

张开伟 李志勇 张力峰

(河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄 050031)

采用三种大型有限元模拟分析软件,对模型基坑开挖过程进行了数值模拟计算,分析了基坑不同开挖阶段土体的变形和位移情况，对比了Abaqus，Plaxis与GTS三种软件在模拟基坑开挖过程中的位移结果和变形规律的差异性，有利于合理优化深基坑开挖模拟方案。

基坑开挖,Abaqus,Plaxis,GTS,数值模拟

1 概述

21世纪以来，在我国各地各种类型的基坑支护设计得到广泛应用，支护技术也得到了长足的发展。然而不容回避的事实是，基坑工程是集岩土工程和结构工程等多学科于一体的系统工程，综合性强，影响因素众多，深基坑工程不仅存在基坑本身的安全和稳定问题，而且还会因土方开挖引起的周围地层移动而可能危及相邻建筑物、地下管网和城市市政设施等，能否预测并控制住基坑及周围地表的变形往往是基坑设计成败的关键。计算机数值模拟技术是一门以多种学科和理论作为基础，以计算机及其相应的软件作为工具，通过进行虚拟试验的方法来分析和解决问题的综合性技术，由于其强大的适用性,这些大型有限元模拟分析软件被广泛应用到复杂地下工程中，已经成为深基坑开挖工程计算模拟分析的强有力工具。本文通过利用一已知工程的数值参数，应用不同数值模拟软件模拟分析基坑开挖过程中的受力及变形过程，使基坑工程中的许多问题得到简化。同时还将不同模拟软件的模拟结果进行了对比分析，提出不同阶段各种模拟结果的差异性，通过这种差异性的对比总结来增强分析结果的可信度。

2 模拟理论分析

2.1 朗肯主动土压力理论

2.2 摩尔库仑理论

库仑研究了回填砂土挡土墙的土压力，把挡土墙后的土体看成是夹在两个滑动面，根据土楔的静平衡条件，可以求解出挡土墙对滑动土楔的支撑反力，从而可求解出作用于墙背的总土压力。库仑理论的基本假设：1)墙后填土为均匀的无粘性土(c=0)，填土表面倾斜(β>0)；2)挡土墙是刚性的，墙背倾斜，倾角为ε；3)墙面粗糙，墙背与土本之间存在摩擦力(δ>0)；4)滑动破裂面为通过墙踵的平面。库仑主动土压力计算图见图2。

3 工程算例模型

3.1 模拟项目概况

模拟基坑开挖土性质：c=35 kPa，摩擦角为25°，剪胀角22°，用摩尔库仑模型，垂直挖了10 m，描述模拟位移变化情况；基坑深10 m，宽度为35 m，取平面应变单元计算。并因为对称取一半计算。分三次挖土，第一次3 m，第二次4 m，第三次6 m，不设任何支撑和挡土结构。

3.2 计算模型

4 计算结果分析

第一步开挖模拟结果如图3,图4所示。

从图3,图4可以看出，Abaqus,Plaxis和GTS计算得到的第一步开挖结束后结果中水平位移量非常接近，计算值可信度较高；垂直位移量Abaqus,Plaxis与GTS差异性较大，此时如果采用GTS模拟计算的垂直位移量就要谨慎一点。模拟数据统计结果中总位移Abaqus,Plaxis非常接近(Abaqus总位移为7.62 mm，Plaxis总位移为7.61 mm)，Abaqus,Plaxis没有出现塑性区和摩尔库仑塑性点。

第二步开挖模拟结果如图5,图6所示。

从图5,图6可以看出，Abaqus,Plaxis和GTS计算得到的第二步开挖结束后模拟结果中水平位移量各个位移图及数据较为吻合，包括最大值的大小，以及坑壁上出现塑性区的大致位置，但其也存在差异性，说明三个软件对于深部开挖土体的水平位移模拟算法和网格存在不同，对其模拟计算值存在影响；垂直位移量Abaqus,Plaxis与GTS差异性较大，Abaqus,Plaxis所计算的垂直位移最大值均出现在基坑隆起的地方，而且位移大小值基本一致，GTS所计算的位移值较之Abaqus和Plaxis相差约3.5 mm，差值较大。模拟数据统计结果中总位移Abaqus,Plaxis非常接近(Abaqus总位移为19.9 mm，Plaxis总位移为19.87 mm)，总位移最大值均发生在基坑隆起的地方；Abaqus,Plaxis二者计算所得塑性点出现的位置一致。

最后一步开挖模拟结果如图7所示。

从图7可以看出,第三步开挖结束后模拟结果中三者计算所得破坏趋势基本一致，Abaqus和Plaxis模拟结果形态相似。

5 结语

由以上各个模拟对比结果可以看出：

1)Abaqus,Plaxis与GTS在开挖的前两个阶段，从水平位移大小和变形规律来看其吻合程度相对较好，虽然第二步开挖模拟时Abaqus,Plaxis与GTS模拟结果存在差异，但差异性不大,精度较高，可以肯定的是实际工作中对于水平位移三种软件的模拟结果都具有较好的参考价值。

2)对于垂直位移Abaqus,Plaxis模拟结果基本一致，二者与GTS模拟结果差异性较大，尤其在深部本次GTS模拟结果与前两者相比,差值约为3.5 mm，差别较大，此时如果单一采用GTS模拟计算的垂直位移量就要谨慎一点。

3)土体破坏模拟结果中三者计算所得破坏趋势基本一致，Abaqus和Plaxis模拟结果形态相似程度较高。

此外，由于容差等差别，最终计算的位移GTS要比Abaqus,Plaxis大很多。实际上，土体达到破坏后的计算结果值并没有现实价值，只是给出一个破坏趋势可以作为参考；而且有限元模拟分析中利用的是插值元函数，计算精度与网格稀疏有关系，有时候结果相差很大，但从相关阴影图我们不难发现，三者所计算得出的基坑破坏剪切滑移带基本一致。由于Abaqus,Plaxis与GTS其模拟算法基本一致，其模拟最终破坏结果也必将一致，但其各有侧重点，笔者认为相比Abaqus和Plaxis，GTS发展较晚，其算法还有很大的优化空间。

[1] 王广国,杜明芳,侯学渊.深基坑的大变形分析[J].岩石力学与工程学报,2000(4):29-30.

[2] 付先进,林作忠.基于plaxis的超深基坑开挖弹塑性有限元数值计算与分析[J].中国水运,2010(4):79-80.

[3] 肖武权,冷伍明,律文田.某深基坑支护结构内力与变形研究[J].岩土力学,2004(8):117-119.

[4] 李彦明,刘晓立.基坑开挖的试验研究与Plaxis结果的比较讨论[J].华北航天工业学院学报,2004(1):36-38.

[5] 朱向荣,王金昌.ABAQUS软件中部分土模型简介及其工程应用[J].岩土力学,2004(S2):201-202.

The effect comparison of Abaqus, Plaxis and GTS in the simulation of foundation pit excavation

Zhang Kaiwei Li Zhiyong Zhang Lifeng

(Hebei Construction Survey & Research Institute Limited Company, Shijiazhuang 050031, China)

Using the three kinds of large-scale finite element analysis software, this paper made numerical simulation calculation to the simulation of foundation pit excavation process, analyzed the deformation and displacement situation of soil in foundation pit different excavation stages, compared the differences of displacement results and deformation rules of Abaqus, Plaxis and GTS three kinds of software in simulation of foundation pit excavation process， it is helpful to optimize the simulatiion scheme of deep foundation pit excavation.

foundation pit excavation, Abaqus, Plaxis, GTS, numerical simulation

1009-6825(2017)08-0058-03

2017-01-09

张开伟(1982- )，男，硕士，高级工程师

TU463

A