數(shù)值模擬技術(shù)在基坑工程輔助教學(xué)中的應(yīng)用探討

楊玉順 張繼華 沈 威 張春雷 武精科

（淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001）

0 引言

基坑工程課程教學(xué)主要以傳統(tǒng)的講授為主，教學(xué)方式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)效率低，該課程主要研究基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工問(wèn)題[1]，基坑支護(hù)類型多樣，理論計(jì)算復(fù)雜，加上外界因素的干擾，學(xué)生很難提起興趣。作為土木工程專業(yè)的綜合性課程，理論學(xué)時(shí)偏少，實(shí)驗(yàn)課時(shí)少甚至沒(méi)有，學(xué)生很難透徹理解基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工基本理論。數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)為分析巖土體內(nèi)部破壞特性提供有力的可視化手段[2-3]，可直觀再現(xiàn)基坑施工過(guò)程中巖土體的變形破壞特性[4-5]，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

1 數(shù)值模擬在基坑工程輔助教學(xué)中的應(yīng)用

筆者結(jié)合案例分析，通過(guò)數(shù)值模擬軟件建立三維模型，模擬研究不同尺寸開(kāi)挖過(guò)程中巖土體變形破壞特性，通過(guò)可視化直觀再現(xiàn)結(jié)果，探究基坑開(kāi)挖過(guò)程中巖土體的變形破壞特性。

1.1 模型建立

結(jié)合某基坑工程概況，采用FLAC3D5.0軟件建立尺寸X×Y×Z=50 m×50 m×50 m的三維模型，見(jiàn)圖1?；游挥谀Ｐ晚敳恐行奈恢?，模型頂部自由，底部和四周施加法向位移約束，巖土體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

圖1 三維模型

表1 土體力學(xué)參數(shù)

表中，K—體積模量；G—剪切模量；c—內(nèi)聚力；φ—內(nèi)摩擦角，t—抗拉強(qiáng)度。

1.2 方案設(shè)計(jì)

改變基坑尺寸（X×Y×Z）分別為：5 m×5 m×5 m、10 m×10 m×10m和15 m×5 m×15 m。

1.3 變形特性分析

由于基坑形狀對(duì)稱分布，僅給出不同基坑開(kāi)挖尺寸下X方向變形結(jié)果，見(jiàn)圖2?；娱_(kāi)挖尺寸為5 m、10 m和15 m時(shí)變形量分別為12.5 mm、872.31 mm和1 327.14 mm，表明隨著基坑開(kāi)挖尺寸的增大，其水平方向的變形量逐漸增大。

圖2 不同基坑開(kāi)挖尺寸下X方向變形云圖

1.4 破壞特性分析

圖3為不同基坑開(kāi)挖尺寸下土體塑性區(qū)云圖，隨著基坑開(kāi)挖尺寸的增大的增加，周圍巖土體破壞區(qū)域逐漸增大，破壞方式主要以剪切破壞和拉伸破壞為主。

圖3 不同基坑開(kāi)挖尺寸塑性區(qū)云圖

為直觀分析土體破壞區(qū)域，采用圖3中塑性區(qū)單元格數(shù)量進(jìn)行表示，如圖4所示。基坑開(kāi)挖尺寸為5 m、10 m和15 m時(shí)單元格破壞數(shù)量分別為71、226和312，擬合基坑開(kāi)挖尺寸與單元格數(shù)量關(guān)系曲線符合線性增長(zhǎng)關(guān)系。

圖4 單元格破壞數(shù)量

2 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合基坑工程教學(xué)現(xiàn)狀及基坑工程問(wèn)題的特點(diǎn)，提出將數(shù)值模擬技術(shù)運(yùn)用到日常教學(xué)過(guò)程中，加強(qiáng)授課方式的結(jié)合。結(jié)合基坑工程案例分析，直觀再現(xiàn)不同基坑尺寸開(kāi)挖過(guò)程中的變形破壞特性，可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)際授課過(guò)程中積極組織學(xué)生參與數(shù)值模擬技術(shù)的學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用，可提高和培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。