由于軟土基坑特殊的區(qū)域地質(zhì)條件、破壞特征的多變性和復(fù)雜性，對(duì)基坑支護(hù)和變形控制帶來(lái)諸多的不利因素，目前軟土基坑的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大都仍沿用古典土壓力理論(庫(kù)侖、朗金土壓力理論)，實(shí)踐證明這種設(shè)計(jì)方法大都偏于保守，而且此種設(shè)計(jì)對(duì)土體變形時(shí)效無(wú)法加以考慮。隨著土方開(kāi)挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系和外部荷載不斷變化，基于軟土壓縮性較大、抗剪強(qiáng)度低、流變性十分顯著等特點(diǎn)，利用有限元程序模擬整個(gè)施工過(guò)程，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析具有極其重要的意義。

　　1數(shù)值模擬

　　1.1基本原理

　　基坑剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)三維有限元數(shù)值模擬足根據(jù)彈性力學(xué)中應(yīng)力應(yīng)變及虛功原理，應(yīng)用應(yīng)力場(chǎng)的疊加原理，將真實(shí)的連續(xù)結(jié)構(gòu)或介質(zhì)用有限個(gè)僅在節(jié)點(diǎn)處鉸接聯(lián)系的離散單元的組合體來(lái)代替，并使這些單元按變形協(xié)調(diào)條件聯(lián)系，通過(guò)建立和求解整體平衡方程得出節(jié)點(diǎn)位移，并根據(jù)應(yīng)變、應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系分別得出相應(yīng)的成果。

　　1.2控制方程

　　本文非線性問(wèn)題的求解即采用混合法，每級(jí)荷載增量作用的迭代均采用完全Newton-Raphson迭代方法。

　　求解平衡方程：

　　其中， 為與 對(duì)應(yīng)的等效節(jié)點(diǎn)力。

　　總等效節(jié)點(diǎn)力：

　　其中， 。

　　在每級(jí)荷載增量的迭代過(guò)程中，為了終止迭代運(yùn)算，必須確定一個(gè)收斂標(biāo)準(zhǔn)。本文取節(jié)點(diǎn)不平衡力大小作為收斂判別的標(biāo)準(zhǔn)。即：

　　其中，aF為力收斂公差，計(jì)算中取為1%。

　　1.3數(shù)值分析

　　巖土和用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土等材料都屬于顆粒狀材料，此類(lèi)材料受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度，且材料受剪時(shí)，顆粒會(huì)膨脹，此處采用彈塑性模型(Druker-Prager模型)可得到較為精確的結(jié)果。破壞準(zhǔn)則采用Willianm-Wamke破壞準(zhǔn)則。

　　支護(hù)結(jié)構(gòu)所用混凝士和巖土單元均采用Solid45單元，由于考慮樁土共同作用，隨著土體開(kāi)挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力不斷增大，一般情況下要打開(kāi)大位移且設(shè)置牛頓一拉普森選項(xiàng)為Full N-R。

　　2工程應(yīng)用

　　2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)及巖土參數(shù)

　　采用ANSYS有限元分析方法，針對(duì)某基坑剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)與相關(guān)巖土參數(shù)進(jìn)行了支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及變形計(jì)算。模擬范圍和計(jì)算參數(shù)如下：基坑圍護(hù)采取鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)。基坑開(kāi)挖坑深6.00 m，基坑尺寸為40 m(短邊)×80 m(長(zhǎng)邊)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Ф6000@1 000鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)為15.00 m，樁頂設(shè)置800 mm X 500 mm冠梁。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。計(jì)算時(shí)考慮施工超載15 kPa。

　　圖1灌注樁剖面示意圖

　　2.2有限元計(jì)算

　　在有限元模型中，巖土和圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點(diǎn)的Sdid45實(shí)體單元模擬，實(shí)體單元采用掃掠(SWEEP)劃分方法將實(shí)體劃分為相對(duì)規(guī)則的六面體單元。因該基坑為規(guī)則的對(duì)稱(chēng)形狀，通過(guò)ANSYS有限元程序計(jì)算，將1/4基坑數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行提取計(jì)算分析。

　　2.3成果分析

　　通過(guò)軟土基坑數(shù)值模擬，得到開(kāi)挖后基坑長(zhǎng)邊方向不同位置處灌注樁樁體的位移值(X為距角點(diǎn)的距離)，見(jiàn)圖2;同時(shí)得到基坑長(zhǎng)邊方向跨中位置灌注樁樁體沿深度方向的彎矩，見(jiàn)圖3。

　　圖2 基坑長(zhǎng)邊方向樁體位移

　　圖3 基坑長(zhǎng)邊方向跨中樁體彎矩

　　由圖2可知，隨著距角點(diǎn)距離的增大，樁體水平位移不斷增大，即跨中位移呈現(xiàn)最大值，并且隨著開(kāi)挖深度的增加，樁體中下部的位移發(fā)展很快。開(kāi)挖終了時(shí)，最大的側(cè)向位移發(fā)生在距樁頂6 m附近;由圖3可知，跨中位移最大處灌注樁的最犬彎矩值出現(xiàn)在距樁頂4 m處，之后隨深度的增加彎矩值逐漸減小。

　　為防止土體被擾動(dòng)后產(chǎn)生較火變形，施工分三步開(kāi)挖，每次開(kāi)挖2 m。基坑開(kāi)挖后，由于基坑外圍士體發(fā)生松動(dòng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形且應(yīng)力增大，基坑外圍地表產(chǎn)生沉降、位移。

　　隨著開(kāi)挖深度的增加，灌注樁受力逐漸增大，開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在距樁頂4 m以下;由圖4可知，地表塑性區(qū)向后和向深部延伸，同時(shí)在坑底也開(kāi)始出現(xiàn)塑性區(qū)，分析其原因?yàn)橛捎谲浲恋膲嚎s性較大，基坑開(kāi)挖后，側(cè)向變形受阻而產(chǎn)生了一個(gè)更深部的旋轉(zhuǎn)滑移面和坑底隆起。

　　圖4 地表塑性區(qū)變化顯示

　　2.4實(shí)例驗(yàn)證

　　將基坑長(zhǎng)邊6根灌注樁水平位移計(jì)地表沉降數(shù)值模擬成果和施工中實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證該數(shù)值模擬方法的可靠性。

　　由數(shù)值模擬成果和基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)比可看出，基坑模擬數(shù)據(jù)和施工中的監(jiān)測(cè)結(jié)果相差不大，變形趨勢(shì)基本一致。

　　現(xiàn)將長(zhǎng)邊跨中位移最大處的灌注樁沿深度方向的水平位移數(shù)值模擬成果值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，見(jiàn)圖5。

　　圖5 長(zhǎng)邊方向跨中灌注樁水平位移

　　由圖5可以看出。由于軟土的流變特性，樁的最大位移并非發(fā)生在樁頂，而是發(fā)牛在距樁頂3 m以下部分。與實(shí)際情況相符。所以三維有限元模擬分析成果和基坑真實(shí)情況在整體上相吻合。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　1)考慮軟土流變性對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及合理選擇支護(hù)形式具有重要作用;2)采用有限元工具軟件中結(jié)構(gòu)分析功能可以簡(jiǎn)便、精確的計(jì)算分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體各部分應(yīng)力應(yīng)變及位移等問(wèn)題，提供能夠比較直觀反映實(shí)際情況的云圖.為設(shè)計(jì)施工等提供理論依據(jù);3)采用適應(yīng)性較強(qiáng)的有限元法模擬基坑整個(gè)施工過(guò)程，對(duì)灌注樁所受內(nèi)力作準(zhǔn)確汁算，可以對(duì)其應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系為工程進(jìn)行適時(shí)支護(hù)提供指導(dǎo)。