软土深基坑变形数值模拟分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种数值模拟分析方法，尤其是一种考虑临近建筑物影响的软土深基坑变 形数值模拟分析方法，属于临近建筑物对软土深基坑变形影响数值模拟的分析领域。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的持续不断发展，城市化进程不断加速，深基坑工程与日俱增，深基坑工 程的施工势必会引起周围地层产生较大的位移及变形，伴随着极强的环境效应，导致周边 建筑物产生不均匀沉降甚至开裂，在软土中这种表现尤为突出。因此，深基坑工程设计及施 工难度越来越大，风险越来越高，对变形控制的要求越来越严格。目前深基坑工程的设计与 施工主要存在的问题有： 1) 基于变形控制的软土深基坑工程设计方法缺乏可靠的理论指导，难以做到科学化设 计，深基坑工程设计在某些条件下过于保守，造成极大的浪费，而在另外一些情况下又存在 较大的安全隐患，给深基坑工程的施工和安全使用带来较大的风险； 2) 对软土中深基坑工程开挖引起的基坑围护结构及地层变形规律及机理等认识不够 明确，难以做到精细化设计与施工。变形控制指标单一，标准绝对，难以满足深基坑周边复 杂敏感的环境要求； 3) 软土深基坑设计与施工存在割裂现象，在深基坑设计时不能很好使用不同的施工参 数对深基坑开挖过程进行模拟，以得到优化的施工参数。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种软土深基坑变形数值模拟分 析方法。
[0004] 本发明技术解决方案： 软土深基坑变形数值模拟分析方法，包括以下步骤： 1) 在工程勘察阶段，通过三轴压缩试验获取软土体的蠕变实验参数，土体蠕变模型选 用扩展的D-P蠕变模型，粘聚蠕变定律采用时间硬化幂函数定义，其中需定义的蠕变参数 通过STATISTIC软件进行数据拟合； 2) 根据具体深基坑工程设计与施工方案，选取合适的开挖土体块尺寸、深基坑工程基 坑围护结构、支撑材料及其参数，并选取合适的无限元区域。建立深基坑开挖工程的有限元 模型； 3) 根据步骤2)所建立的有限元模型，采用场变量控制法和生死单元法对深基坑开挖 过程进行模拟，对深基坑工程开挖前后的地下连续墙水平位移、支撑轴力、周边地层沉降的 变化情况进行比较分析，得到不同施工参数下的变化规律，为工程变形控制提供数值参考 依据； 4) 通过改变土体开挖方式、施工间隙和开挖时间等几个工程因素的参数，采用步骤2) 和步骤3)的方法建立多组不同工况下的有限元模型，对各工况下地下连续墙水平位移、支 撑轴力、周边地层沉降的变化情况进行比较分析，得到各工程因素对深基坑工程变形影响 的作用规律； 5) 根据具体深基坑工程施工方案，建立深基坑工程开挖的有限元模型，验证工程设计 与施工方案的可行性。
[0005] 作为一种实施方案，步骤1)所采用的通过三轴压缩试验获取软土体的蠕变实验 参数方法，具体如下： a) 在工程勘察阶段采用现场取样的方式获取土层中的软土，在实验室内进行三轴压缩 蠕变实验； b) 软土体的蠕变模型选用扩展的双曲线D-P蠕变模型，蠕变法则采用时间硬化幂函数 定义，蠕变法则用下式定义：= Γ ,式中为蠕变应变率^为蠕变应 力，t为时间。A、N、M为需通过实验确定的三个参数； c) 上式可以定义为式中f为蠕变应变，r为常数。经由 M He 1 三轴实验数据采用STATISTIC软件拟合可得到最优化曲线，从而可得A、N、M数值。
[0006] 所述采用在模型的四周建立三维无限元模拟半无限域的影响，具体如下： a) 在模型四周划分三维有限单元，长度和宽度方向无限单元的长度分别等于1. 5倍的 待开挖土体的长度和宽度，并使用扫略方式划分网格； b) 令单元类型为C3D20P，将模型文件保存，用记事本打开已保存的模型文件，找到模 型四周的三维有限单元集，将单元类型改为无限单元类型INC3D8P ; c) 在模型的四角设置三维交叉无限单元，此项工作需要手动修改，需令无限单元的8 个节点排列满足右手螺旋法则即可。
[0007] 所述采用场变量控制法及单元生死法模拟深基坑工程施工的方法，具体如下： a) 在模型的四周建立三维无限元模拟半无限域的影响，同时将临近建筑物转化为等 效荷载施加到地面上，再施加重力，得到土体在自重作用下的受力及变形，同时导出初始地 应力文件； b) 建立临近建筑物和基坑开挖共同作用的三维有限-无限单元模型，并读入初始地应 力文件，从而获得地应力的平衡； c) 采用场变量控制法改变部分土体单元的参数，模拟基坑围护结构的施工，首先让基 坑围护结构处土体单元杨氏模量增大为土体初始杨氏模量的105%-110%区间中的一个数 值，再增大为地下连续墙杨氏模量的30%-50%区间中的一个数值，最后变为地下连续墙的 100% ； d) 模拟土体开挖过程，采用场变量控制法改变开挖土体的杨氏模量，首先把被开挖土 体的杨氏模量变为土体初始杨氏模量的80%-90%区间中的一个数值，然后再变为土体初始 杨氏模量的30%-50%区间中的一个数值，最后再采用生死单元控制法挖除拟开挖土体，并 施加支撑； e) 开挖结束后，令基坑底部土体与空气接触处单元孔压为零，并按施工间隙进行土体 固结分析； f) 基坑开挖到底板时，利用场变量控制法改变底部土体的杨氏模量，首先把底板位置 土体杨氏模量增大为土体初始杨氏模量的105%-110%区间中的一个数值，再增大为混凝土 杨氏模量的30%-50%区间中的一个数值，最后变为混凝土杨氏模量的100% ; 其中，步骤a)?b)是基坑开挖前的模拟；步骤c)?e)是基坑开挖过程中的模拟；步 骤f)是基坑开挖结束后的模拟。
[0008] 作为一种实施方案，步骤c)场变量控制法具体如下：首先在初始条件中把场变量 设为〇,相应土体杨氏模量对应不变，当场变量变为1时，相应土体杨氏模量变为初始值的 105%-110%区间中的一个数值，当场变量变为2时，相应土体杨氏模量变为混凝土杨氏模量 的30%-50%区间中的一个数值，当场变量变为3时，相应土体杨氏模量变为混凝土杨氏模量 的 100%。
[0009] 作为一种实施方案，步骤d)场变量控制法具体如下：首先在初始条件中把场变量 设为〇,相应土体杨氏模量对应不变，当场变量变为1时，相应土体杨氏模量变为初始值的 80%_90%区间中的一个数值，当场变量变为2时，相应土体杨氏模量变为初始值的10%_30% 区间中的一个数值，之后再采用单元生死控制法挖除相应土体。
[0010] 作为一种实施方案，步骤a)所述软土体采用扩展的双曲线D-P蠕变模型，其余土 体采用D-P模型，基坑围护结构及支撑采用线弹性模型。
[0011] 作为一种实施方案，步骤a)所述基坑为正四边形，土体块尺寸为792mX420 mX50m，其中基坑开挖尺寸为132mX72 mX 10m，即在长度方向上取6倍基坑开挖长度，其 中无限元长度为1.5倍开挖长度即198 m，宽度方向上同样取6倍开挖宽度，其中无限元长 度为1. 5倍开挖宽度即108m，在高度方向上，模型高度取5倍开挖深度。
[0012] 作为一种实施方案，步骤2)所述钻孔灌注桩和内支撑均为C30钢筋砼浇筑，因钢 筋在钻孔灌注桩和内支撑中含量很低，且将其简化对计算结果无影响，故在计算过程中钻 孔灌注桩和内支撑均视为完全由C30砼组成。C30砼泊松比为0. 2,重度为26KN/m3。
[0013] 作为一种实施方案，步骤2)所述的基坑围护结构采用等效地下连续墙的方法， 具体如下：为便于划分网格及计算，地下连续墙宽度取1米，在此范围内钻孔灌注桩的杨氏 模量设为E1，面积为A1，土体杨氏模量为E2,面积为A2,则地下连续墙的等效杨氏模量为 Ε1*Α1+Ε2*Α2〇
[0014] 作为一种实施方案，所述有限元模型选取的单元包括C3D8P单元、C3D8单元、和 INC3D8P单元，其中：采用C3D8P单元模拟土体；采用C3D8单元模拟地下连续墙和内支撑； 采用INC3D8P单元模拟基坑四周半无限域。
[0015] 本发明相对于现有技术具有如下的有益效果： 本发明方法软土体采用扩展的双曲线D-P蠕变模型，其余土体采用D-P模型，基坑围护 结构及支撑采用线弹性模型。利用大型软件ABAQUS建立有限元模型对深基坑施工过程中 基坑围护结构及支撑的内力和变形情况进行了系统的分析，对深基坑开挖过程中地应力平 衡、基坑围护结构的施工、土方开挖等细节进行了详细的模拟，分析土方开挖方式、开挖时 间和施工间隙等工程因素在深基坑开挖过程中对深基坑围护结构、支撑及周围土层变形的 影响，进而验证具体设计及施工方案的可行性，具有创新意义，拥有广泛的工程应用前景。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明实施例1的数值模拟分析方法流程图。
[0017] 图2a为本发明实施例1软土 1蠕变参数拟合曲线图，图2b为本发明实施例1软 土 2蠕变参数拟合曲线图。
[0018] 图3为本发明实施例1建立的有限元模型中第6051号单元节点数据示意图。 [0019] 图4为本发明实施例1建立的有限元模型示意图。
[0020] 图5为本发明实施例1中基坑监测点布置图。
[0021] 图6a为本发明实施例1未添加无限元模拟基坑开挖前地应力平衡后的模型位移 云图；图6b为本发明实施例1添加无限元后模拟基坑开挖前地应力平衡后的模型位移云 图；图6c为本发明实施例1添加无限元后模拟基坑开挖前地应力平衡后的模型应力云图； 图6d为本发明实施例1模拟地下连续墙施工后的模型应力云图；图6e为本发明实施例1 基坑开挖后地下连续墙与支撑的应力云图；图6f为本发明实施例1模拟基坑开挖后的模型 应力云图；图6g为本发明实施例1模拟基坑开挖后模型长度方向的位移云图。
[0022] 图7a为本发明实施例1模拟基坑开挖后CXlO支护桩监测值与计算值对比图；图 7b为本发明实施例1模拟基坑开挖方式不同