利用ABAQUS有限元模拟超深基坑方案之环境科学论文

　　摘要：ABAQUS有着强大的岩土本构，非常适合于岩土工程研究，可以考虑固结、渗流、稳定、开挖、填方、（温度、应力、渗流等）耦合、地震分析等众多问题。对于超深基坑复杂应力及地下水模拟有着较好的优势，是一种比较成熟的有限元分析软件。
　　关键字:有限元分析；超深基坑；ABAQUS
　　一、论文引言
　　ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件，解决从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。拥有各种类型的材料模型库，有着强大的岩土本构，非常适合于岩土工程研究。
　　本方案有限元模型来源为上海某地铁科研监测的轨道交通0号线路某车站。
　　车站为地下三层岛式车站，车站主体为双柱三跨结构。车站结构长157.2m，标准段宽22.8m。车站地下连续墙厚1000mm，墙深52m。标准段基坑开挖深度约24.3m，端头井基坑开挖深度约26m。
　　二、有限元模拟内容
　　1、基坑开挖变形及土体位移场
　　基坑开挖会使得围护结构产生变形，围护结构的变形就会带动墙后土体位移的变化。而围护结构的位移主要受到以下一些因素的影响。
　　1支撑刚度与墙体刚度
　　根据不同墙体厚度下地下连续墙在最后施工工况下的位移可知，当围护墙厚度从0.6m增加到1.0m时，围护墙的水平位移明显减小，可见适当增加墙体厚度可以有效减小墙体的水平位移，但当墙厚增加到一定程度时，再通过增加墙体厚度来减小位移作用不大。同理，当支撑刚度过度增大，其效果也逐渐减弱，本方案也将着重找到针对超深基坑支撑与墙体刚度之间的最优化方案。拟采用二维有限元模拟。
　　2围护结构插入深度
　　在上海这样的软土地区的一般基坑，插入比一般都会达到0.8左右，但是对于超深基坑，墙体插入比如果仍然采用0.8这样的标准是不合理也是不经济的。因此研究超深基坑的合理插入深度是十分必要的。模型将主要采用二维模型进行插入深度的模拟。
　　3开挖、支撑工况
　　刘建航院士为首的课题组从国内软土地区，特别是上海地区近十年来在深基坑的施工实践和试验研究成果中认识到：在深基坑开挖及支撑过程中，开挖面无支撑暴露时间、开挖速度、开挖顺序等时间因素以及基坑每步开挖土方的大小、深度等空间因素对基坑支护结构及周围土体的变形有一定的相关性，明确地提出了时空效应的概念[1]。
　　在上海十多年来的一般深基坑实践当中，已经积累很多开挖、支撑工况对于围护结构变形所产生影响的经验，所以在此次模拟中将只把开挖深度超过20m以上深度的基坑做为研究对象。
　　4施工工法对比（逆作法和顺作法）
　　在已有的地铁车站的施工建设中，顺作法是常用的施工方法，具有施工作业面多、工程造价低等特点。一般深度的基坑在条件允许的情况下都会优先采用顺作法。但在市中心深度超过20m的基坑，由于基坑安全性和环境保护的要求更多的采用了逆作法施工。但逆作法施工代价高，工期长。由于上海地区软土呈现出明显的流变特性，所以在较长的工期内内墙体位移仍然会缓慢的增大。在4号线董家渡修复工程中，虽然挖土深度接近40m，但是墙体变形并不比一般逆作法基坑大[2]。这就使得我们考虑对于超深基坑，如果采用的钢支撑刚度更大（如采用双拼），预应力均按要求施加，是否也可以使得围护结构的变形控制在一个较小的范围内。使得工期、经济性、环境保护达到最优化。
　　所以本次模型中将着重模拟当基坑深度达到20m以上时，采用不同工法对变形控制的能力。将以二维模型计算为主要研究手段。
　　2、坑底、立柱隆起与承压水模型
　　基坑开挖的过程是基坑开挖面上土体卸荷的过程，由于卸荷引起基坑坑底土体产生以向上为主的位移。当开挖深度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直的弹性隆起，其特征是坑底中部隆起最高，而且坑底隆起在开挖停止后很快停止，这种坑底隆起基本上不会引起围护墙外侧土体向坑内移动。随着开挖深度的增加，基坑内外的土面高差不断增大，就会使围护墙外侧土体产生向坑内的移动，使坑底土体产生向上的塑性隆起，其特点是两边大中间小，同时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地面沉降。
　　基坑内土方开挖的直接作用引起开挖面以下土层的隆起变形，坑底隆起引起立柱桩的上浮。桩的上抬也促使桩端土体应力释放，桩端土体也产生隆起，桩也随之上抬，但上部结构的不断加荷以及变异性较大的施工荷载会引起立柱的沉降，可见立柱竖向位移的机理比较复杂。在这一复杂机理的背后是立柱与土体的之间变形协调的问题，也即有限元模拟中的接触单元设定问题。由此模拟的重点将会对立柱桩与土之间接触单元的调整。
　　同时由于坑底承压水头的作用，立柱也会发生较大的隆起变形。所以在结合对坑底和立柱隆起的研究中，加入对承压水头的模拟。通过软件对不同土层水头的设定，来分析在不同承压水头下坑底和立柱隆起的情况及其对围护结构变形的影响。
　　一般地铁基坑宽度较窄，而长度很大。所以在宽度方向上的坑底隆起效应相较于纵向方向要弱。同时立柱的隆起也呈现出中间大两头小的空间效应。所以在本研究内容中，二维和三维的有限元模拟将交叉进行。
　　三、有限元模拟结果比对研究
　　对有限元模拟的结果将采用两种方式的研究方式：自身规律性的研究和与通过其他途径得到的结果的对比研究。自身规律性的研究具体内容如上节中所述。与其他结果的对比研究包括：
　　1、与实测的对比。结合车站基坑进行的现场实验监测数据进行对比研究，耗时较长。
　　2、与经验公式的对比。在上海近十几年的地下工程大规模建设中，积累相当多的经验，特别是对于一般的深基坑的相关经验。有限元模型的计算结果将与这些已有的经验进行比较分析。
　　参考文献
　　1、刘爱华;黎鸿;罗荣武.时空效应理论在软土深基坑施工中的应用[J].地下空间与工程学报,2010,3
　　2、江晓峰;刘国彬;张伟立;李翔宇.基于实测数据的上海地区超深基坑变形特性研究[J].岩土工程学报,2010,S2