数值模拟技术在基坑工程辅助教学中的应用探讨

杨玉顺 张继华 沈 威 张春雷 武精科

（淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001）

0 引言

基坑工程课程教学主要以传统的讲授为主，教学方式单一，学生学习效率低，该课程主要研究基坑支护设计与施工问题[1]，基坑支护类型多样，理论计算复杂，加上外界因素的干扰，学生很难提起兴趣。作为土木工程专业的综合性课程，理论学时偏少，实验课时少甚至没有，学生很难透彻理解基坑支护设计与施工基本理论。数值模拟技术的出现为分析岩土体内部破坏特性提供有力的可视化手段[2-3]，可直观再现基坑施工过程中岩土体的变形破坏特性[4-5]，进而激发学生的学习兴趣，培养学生的创新思维。

1 数值模拟在基坑工程辅助教学中的应用

笔者结合案例分析，通过数值模拟软件建立三维模型，模拟研究不同尺寸开挖过程中岩土体变形破坏特性，通过可视化直观再现结果，探究基坑开挖过程中岩土体的变形破坏特性。

1.1 模型建立

结合某基坑工程概况，采用FLAC3D5.0软件建立尺寸X×Y×Z=50 m×50 m×50 m的三维模型，见图1。基坑位于模型顶部中心位置，模型顶部自由，底部和四周施加法向位移约束，岩土体力学参数见表1所示。

图1 三维模型

表1 土体力学参数

表中，K—体积模量；G—剪切模量；c—内聚力；φ—内摩擦角，t—抗拉强度。

1.2 方案设计

改变基坑尺寸（X×Y×Z）分别为：5 m×5 m×5 m、10 m×10 m×10m和15 m×5 m×15 m。

1.3 变形特性分析

由于基坑形状对称分布，仅给出不同基坑开挖尺寸下X方向变形结果，见图2。基坑开挖尺寸为5 m、10 m和15 m时变形量分别为12.5 mm、872.31 mm和1 327.14 mm，表明随着基坑开挖尺寸的增大，其水平方向的变形量逐渐增大。

图2 不同基坑开挖尺寸下X方向变形云图

1.4 破坏特性分析

图3为不同基坑开挖尺寸下土体塑性区云图，随着基坑开挖尺寸的增大的增加，周围岩土体破坏区域逐渐增大，破坏方式主要以剪切破坏和拉伸破坏为主。

图3 不同基坑开挖尺寸塑性区云图

为直观分析土体破坏区域，采用图3中塑性区单元格数量进行表示，如图4所示。基坑开挖尺寸为5 m、10 m和15 m时单元格破坏数量分别为71、226和312，拟合基坑开挖尺寸与单元格数量关系曲线符合线性增长关系。

图4 单元格破坏数量

2 结语

结合基坑工程教学现状及基坑工程问题的特点，提出将数值模拟技术运用到日常教学过程中，加强授课方式的结合。结合基坑工程案例分析，直观再现不同基坑尺寸开挖过程中的变形破坏特性，可有效提高学生的学习兴趣。在实际授课过程中积极组织学生参与数值模拟技术的学习和实际应用，可提高和培养学生分析和解决实际工程问题的能力。