ABAQUS軟件在深基坑開挖模擬中的應(yīng)用研究

文/呂亞?wèn)| 林 淋 蔣 進(jìn)

隨著基坑工程的日益復(fù)雜，采用合理的方法分析深基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義。在實(shí)際工程中，基坑開挖施工步驟十分復(fù)雜，受到各種因素的制約，施工灌漿、開挖、加支護(hù)等流程的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)[2]。開挖的過(guò)程是應(yīng)力釋放[1]；若在開挖模擬中不能將單元模量適當(dāng)降低或?qū)⒐?jié)點(diǎn)力適當(dāng)減小，則模擬出的結(jié)果與實(shí)際情況是不符。目前國(guó)內(nèi)大多模擬基坑開挖的研究中均未考慮應(yīng)力釋放的問(wèn)題，本文實(shí)際工程，運(yùn)用大型商用計(jì)算軟件ABAQUS，采用軟化模量法及收斂約束法兩種方法[3～4]模擬開挖過(guò)程中土體應(yīng)力的釋放，為合理優(yōu)化基坑開挖的數(shù)值模擬方法提供理論參考。

1 工程概況

擬建場(chǎng)地位于哈爾濱市道外區(qū)，地下建筑面積為118800 m2，地下3 層，埋深約-15.0 m。建筑物平面呈矩形。地下水穩(wěn)定埋深為自然地面下4.60～6.50 m，絕對(duì)標(biāo)高113.30～115.31 m。

2 數(shù)值計(jì)算分析

2.1 二維模型建立

由于本工程中基坑規(guī)模過(guò)大，考慮計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力、計(jì)算時(shí)間等因素，將整個(gè)基坑模型進(jìn)行簡(jiǎn)化分析處理，截取AB段面建立二維模型[4]。見圖1。

圖1 基坑平面

選用參數(shù)較少的Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，土的Mohr-Coulomb破壞條件可以表達(dá)為

式中：p、q分別為平均應(yīng)力、廣義偏差應(yīng)力；θσ為應(yīng)力Lode角；c、φ與分別為土的黏聚力、內(nèi)摩擦角。

2.2 確定計(jì)算參數(shù)

土體本構(gòu)模型為彈性模型和摩爾-庫(kù)倫模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的原位試驗(yàn)及鄰近試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合地勘報(bào)告，綜合取值見表1-表3。

表1 Mohr-Coulomb模型中砂類土內(nèi)摩擦角和變形模量綜合確定

續(xù)表1

表2 泊松比取值參考

表3 剪脹角取值

2.3 三維有限元模型建立

在彈性均勻半空間內(nèi)，選取模型截面尺寸為長(zhǎng)140 m?；娱_挖深度為15 m，考慮到邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力反應(yīng)的影響，模型深度方向影響范圍為基坑開挖深度的2～4 倍，故模型的高度取40 m。模型采用四節(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變四邊形單元（CPE4），共計(jì)2565個(gè)單元，2688個(gè)節(jié)點(diǎn)，上邊界為自由邊界，側(cè)面均約束對(duì)應(yīng)方向的位移，底面約束3個(gè)方向的位移。見圖2。

圖2 模型

2.4 有限元計(jì)算

2.4.1 軟化模量法

在ABAQUS 中使用軟化模量法必須要設(shè)置場(chǎng)變量，場(chǎng)變量的設(shè)置無(wú)法在CAE界面中進(jìn)行。因此首先在Property 模塊設(shè)置隨場(chǎng)變量變化的彈性模量參數(shù)，再在inp文件中修改模型的關(guān)鍵字即可。編輯的關(guān)鍵字代碼

2.4.2 收斂約束法

收斂約束法中土體的開挖通過(guò)逐漸釋放開挖區(qū)域邊界節(jié)點(diǎn)的集中荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)荷載釋放到一定程度后，激活支護(hù)結(jié)構(gòu)。ABAQUS中無(wú)法在CAE界面中直接進(jìn)行設(shè)置，因此首先建立正常開挖模型，約束住開挖邊界的位移，提取邊界節(jié)點(diǎn)的反力，再進(jìn)行模擬時(shí)編寫inp文件中的關(guān)鍵字，編輯代碼

實(shí)際工程案例中，開挖土體周邊的節(jié)點(diǎn)荷載必然會(huì)由于受到擾動(dòng)而有所衰減。為真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，在ABAQUS中設(shè)置一條幅值曲線，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)力與幅值的積作為節(jié)點(diǎn)力荷載施加到二次模擬的模型中。見圖3。

圖3 不同時(shí)刻荷載折減幅值曲線

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

模型沿中間軸線兩邊對(duì)稱，變形情況完全一致，故在處理分析中以基坑右側(cè)的變形為主，提取路徑，繪制變形圖。見圖4。

圖4 基坑地表沉降變形曲線

由圖4 可見，釋放應(yīng)力與未釋放應(yīng)力的沉降變形曲線形態(tài)是相似的，均呈現(xiàn)出沿路徑越遠(yuǎn)，變形位移值越小的規(guī)律。未釋放應(yīng)力的變形值明顯大于使用軟化模量法和收斂約束法釋放應(yīng)力的變形，說(shuō)明在做基坑開挖的數(shù)值模擬中，釋放開挖土體周邊的應(yīng)力可以有效減小模擬結(jié)果的變形。使用收斂約束法模擬出的結(jié)果比軟化模量法的值略小，這可能是由于收斂約束法將荷載的幅值變化有針對(duì)的加到了基坑支點(diǎn)上，各個(gè)地方并不是發(fā)生同樣的變形。

選取基坑的左側(cè)壁提取路徑繪制側(cè)向變形圖，見圖5。

圖5 基坑側(cè)壁變形曲線

由圖5 可見，釋放應(yīng)力與未釋放應(yīng)力的側(cè)向變形曲線形態(tài)是一致，均為外脹肚形，整體變形為由上到下逐漸增大的趨勢(shì)，約距坑底1/3 位置處位移值達(dá)到最大值，這是由于該位置之下的部分受到坑底隆起效果的影響最大，造成其偏移量遠(yuǎn)大于其余位置的變形。釋放應(yīng)力后的側(cè)移變形明顯小于未釋放應(yīng)力的變形，同樣說(shuō)明了釋放應(yīng)力對(duì)模擬基坑開挖減小變形量是有顯著的效果。

沿基坑中部繪制路徑輸出基坑的隆起變形圖，見圖6。

圖6 基坑底部隆起變形曲線圖

由圖6 可見，釋放應(yīng)力與未釋放應(yīng)力的基坑底部隆起變形曲線形態(tài)也是一致的，均為帽狀變形。兩側(cè)的些許翹起是因?yàn)槭艿街ёo(hù)結(jié)構(gòu)的擠壓作用，模型基坑中部的隆起值最大，與客觀現(xiàn)象相符。釋放應(yīng)力后的變形量小于未釋放應(yīng)力的變形量，與前面的結(jié)論一致。收斂約束法釋放應(yīng)力產(chǎn)生的變形量也是略小于軟化模量法釋放應(yīng)力產(chǎn)生的變形量，與前面的結(jié)論相同，原因也與之前類似。

3 結(jié)論

1）未釋放應(yīng)力土體的變形量明顯大于使用軟化模量法和收斂約束法釋放應(yīng)力的變形。這說(shuō)明在做基坑開挖的數(shù)值模擬中，釋放開挖土體周邊的應(yīng)力可以有效的減小模擬結(jié)果的變形量。

2）使用收斂約束法釋放應(yīng)力后產(chǎn)生的變形量與軟化模量法產(chǎn)生的變形量整體上相差不大，但使用收斂約束法模擬的結(jié)果值要更小，而且更精確。因?yàn)樵摲椒紤]了各個(gè)支點(diǎn)的反力并結(jié)合了荷載幅值曲線；而軟化模量法改變的是一個(gè)整體量值，相比于收斂約束法更片面。