ABAQUS软件在深基坑开挖模拟中的应用研究

文/吕亚东 林 淋 蒋 进

随着基坑工程的日益复杂，采用合理的方法分析深基坑施工对周边环境的影响具有深刻的现实意义。在实际工程中，基坑开挖施工步骤十分复杂，受到各种因素的制约，施工灌浆、开挖、加支护等流程的时间相对较长[2]。开挖的过程是应力释放[1]；若在开挖模拟中不能将单元模量适当降低或将节点力适当减小，则模拟出的结果与实际情况是不符。目前国内大多模拟基坑开挖的研究中均未考虑应力释放的问题，本文实际工程，运用大型商用计算软件ABAQUS，采用软化模量法及收敛约束法两种方法[3～4]模拟开挖过程中土体应力的释放，为合理优化基坑开挖的数值模拟方法提供理论参考。

1 工程概况

拟建场地位于哈尔滨市道外区，地下建筑面积为118800 m2，地下3 层，埋深约-15.0 m。建筑物平面呈矩形。地下水稳定埋深为自然地面下4.60～6.50 m，绝对标高113.30～115.31 m。

2 数值计算分析

2.1 二维模型建立

由于本工程中基坑规模过大，考虑计算机的计算能力、计算时间等因素，将整个基坑模型进行简化分析处理，截取AB段面建立二维模型[4]。见图1。

图1 基坑平面

选用参数较少的Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，土的Mohr-Coulomb破坏条件可以表达为

式中：p、q分别为平均应力、广义偏差应力；θσ为应力Lode角；c、φ与分别为土的黏聚力、内摩擦角。

2.2 确定计算参数

土体本构模型为弹性模型和摩尔-库伦模型，根据现场的原位试验及邻近试验室试验结果，结合地勘报告，综合取值见表1-表3。

表1 Mohr-Coulomb模型中砂类土内摩擦角和变形模量综合确定

续表1

表2 泊松比取值参考

表3 剪胀角取值

2.3 三维有限元模型建立

在弹性均匀半空间内，选取模型截面尺寸为长140 m。基坑开挖深度为15 m，考虑到边界效应对结构静力反应的影响，模型深度方向影响范围为基坑开挖深度的2～4 倍，故模型的高度取40 m。模型采用四节点双线性平面应变四边形单元（CPE4），共计2565个单元，2688个节点，上边界为自由边界，侧面均约束对应方向的位移，底面约束3个方向的位移。见图2。

图2 模型

2.4 有限元计算

2.4.1 软化模量法

在ABAQUS 中使用软化模量法必须要设置场变量，场变量的设置无法在CAE界面中进行。因此首先在Property 模块设置随场变量变化的弹性模量参数，再在inp文件中修改模型的关键字即可。编辑的关键字代码

2.4.2 收敛约束法

收敛约束法中土体的开挖通过逐渐释放开挖区域边界节点的集中荷载来实现，当荷载释放到一定程度后，激活支护结构。ABAQUS中无法在CAE界面中直接进行设置，因此首先建立正常开挖模型，约束住开挖边界的位移，提取边界节点的反力，再进行模拟时编写inp文件中的关键字，编辑代码

实际工程案例中，开挖土体周边的节点荷载必然会由于受到扰动而有所衰减。为真实模拟现场情况，在ABAQUS中设置一条幅值曲线，对应节点力与幅值的积作为节点力荷载施加到二次模拟的模型中。见图3。

图3 不同时刻荷载折减幅值曲线

2.5 计算结果分析

模型沿中间轴线两边对称，变形情况完全一致，故在处理分析中以基坑右侧的变形为主，提取路径，绘制变形图。见图4。

图4 基坑地表沉降变形曲线

由图4 可见，释放应力与未释放应力的沉降变形曲线形态是相似的，均呈现出沿路径越远，变形位移值越小的规律。未释放应力的变形值明显大于使用软化模量法和收敛约束法释放应力的变形，说明在做基坑开挖的数值模拟中，释放开挖土体周边的应力可以有效减小模拟结果的变形。使用收敛约束法模拟出的结果比软化模量法的值略小，这可能是由于收敛约束法将荷载的幅值变化有针对的加到了基坑支点上，各个地方并不是发生同样的变形。

选取基坑的左侧壁提取路径绘制侧向变形图，见图5。

图5 基坑侧壁变形曲线

由图5 可见，释放应力与未释放应力的侧向变形曲线形态是一致，均为外胀肚形，整体变形为由上到下逐渐增大的趋势，约距坑底1/3 位置处位移值达到最大值，这是由于该位置之下的部分受到坑底隆起效果的影响最大，造成其偏移量远大于其余位置的变形。释放应力后的侧移变形明显小于未释放应力的变形，同样说明了释放应力对模拟基坑开挖减小变形量是有显著的效果。

沿基坑中部绘制路径输出基坑的隆起变形图，见图6。

图6 基坑底部隆起变形曲线图

由图6 可见，释放应力与未释放应力的基坑底部隆起变形曲线形态也是一致的，均为帽状变形。两侧的些许翘起是因为受到支护结构的挤压作用，模型基坑中部的隆起值最大，与客观现象相符。释放应力后的变形量小于未释放应力的变形量，与前面的结论一致。收敛约束法释放应力产生的变形量也是略小于软化模量法释放应力产生的变形量，与前面的结论相同，原因也与之前类似。

3 结论

1）未释放应力土体的变形量明显大于使用软化模量法和收敛约束法释放应力的变形。这说明在做基坑开挖的数值模拟中，释放开挖土体周边的应力可以有效的减小模拟结果的变形量。

2）使用收敛约束法释放应力后产生的变形量与软化模量法产生的变形量整体上相差不大，但使用收敛约束法模拟的结果值要更小，而且更精确。因为该方法考虑了各个支点的反力并结合了荷载幅值曲线；而软化模量法改变的是一个整体量值，相比于收敛约束法更片面。