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深基坑系统有限元分析建模的探讨 唐宗鹏? 刘 斌 （东北大学资源与土木工程学院 沈阳 110004） 【摘要】本文提出了在“深基坑系统”观念的基础上，总结有限元法分析基坑系统的优势，重点对基坑有限元建模中关于对称性假设的不合理性进行了论证，并使用ANSYS软件进行了数值模拟。 【关键词】深基坑；有限元；数值模拟；对称性；系统 1 问题的提出 随着国民经济的不断发展，城市规模的日益扩大，深基坑工程在高层建筑、地下车库、地下商城、地铁车站，桥梁结构的桥墩、悬索锚碇等工程中日益涌现。此类工程的影响因素相当广泛和复杂，涉及的学科领域十分广泛，目前理论还很不成熟，有很多问题亟待解决。另一方面，随着科学技术的不断进步，各种新思想及新技术不断涌现并相互渗透，为深基坑工程理论的深入研究和工程实践创造了条件。 因此，阐明和发展深基坑系统工程的理论，改进深基坑工程支护体系设计的思路和施工开挖的工艺，对基坑系统工程的研究和认识，对工程安全性、经济性和可靠性作出定性和定量评估，都有重大意义，这也是工程科研人员的责任。 2 “深基坑系统”观念的引入 深基坑工程在国外称为“深开挖工程”（Deep Excavation），是一类典型的变体系施工力学问题。它不同于一般的地面结构物，可以采用单纯的“荷载—结构法”来分析设计。它涉及到土体与支护体系以及地下水的共同作用，具有土体物理非线性和土与支护结构的接触非线性这一双重非线性的特征。 由此可见，整个基坑工程是一个复杂的系统工程。密度、弹模、内摩擦角、粘聚力等是系统自然行为信息的参数，土方开挖、降水等施工因素可以看作是对这一系统的信息输入或者叫扰动，而支护体系和土体的应力应变状态可以看作对输入信息的反馈。如果把基坑当作系统甚至动态系统来分析和处理，是非常适宜和必要的。用“深基坑系统”研究相关问题，便于抓住主要矛盾，对深基坑的性态能整体把握。因此，本文使用“深基坑系统”这一提法来说明问题。 3 有限元分析深基坑系统的优势 目前，城市深基坑工程往往出现在周边建筑和地下管网复杂的地方，基坑的分析和设计已经由传统的强度控制逐渐转变为变形控制。而传统的荷载—结构法只能得出支护的变形和内力，却无法反映周边的土体变形和对地下管网、邻近建筑基础的影响。而有限元法在解决这方面问题上具有突出的优势。 A．可以考虑桩、土相互作用，协调两者的变形。 B．通过使用接触单元，不仅能考虑土体对支护结构的作用力随支护结构的变形而发生变化，而且可以模拟它们之间的摩擦关系。 C．通过计算可求得支护结构的应力和位移，从而对支护结构进行合理设计。 D．可以计算一定区域内土体的应力和位移，由此可得此区域的应力场和位移场。 E．特别是对于开挖、支护交替进行的介质中的应力场和位移场的复杂变化过程，有限元法能模拟基坑开挖时逐级卸载及修筑时重新加载的各种工况，能对不同边界条件下土压力的分布形式、土参数正确取值。 F．虽然各基坑有它的个性，不同地区，同一地区的不同场地，基坑的各个相关参数是不同的，建立统一设计方案是不现实的；但是，可以建立一种统一的分析思路和模型，开发深基坑系统有限元软件，能根据不同的基坑系统修改、控制和分析设计参数。比如，先建立现场勘测的土体几何模型，对各个土层分别采用不同的本构关系，可以调整支撑的位置和刚度参数，可以调整支护结构的入土深度和截面尺寸，等等，从而实现对具体基坑系统工程的柔性制造。 G．以有限元作为正演分析的手段，以现场监测数据对深基坑系统有关参数和指标进行反演分析和以变形预测为主的运行状态预测，加上计算机技术的飞速发展和计算力学研究的不断深入，为深基坑系统的柔性制造提供了一条有效途径。 4 深基坑有限元分析建模的几个问题 有限元法分析和设计基坑时，有杆系有限元和连续介质有限元。将杆系有限元引入地基反力法中用于工程设计与分析取得了巨大成功，反映了研究平面内的局部土与结构的共同作用。但是它毕竟是一种平面分析方法，无论局部平面研究得多么深入，即使能全面准确地描述平面内的土压力本构关系，都会失去对整个基坑系统的总体把握，基坑的问题往往出自这里。连续介质三维有限元法，能综合反映深基坑系统的各影响因素，体现其时空效应，能考虑渗流引起的内力和变形的变化。 使用连续介质有限元分析深基坑系统，涉及到本构关系和分析单元的选择，不同单元形式的耦合处理，力学边界条件的确定以及几何边界条件和分析范围的确定。关于分析范围的界定，目前存在很多不合理的地方，本文探讨了这方面的问题。 4.1 分析范围的界定 深基坑开挖的影响范围取决于开挖的平面形状、开挖深度和土质条件以及临近地下建筑物等因素。现在关于深基坑系统的三维有限元分析，计算范围为：竖直方向(Z方向)分析的深度为2～3倍基坑开挖深度，水平宽度为基坑宽度外各向两侧延伸1—2倍基坑开挖深度。这