摘要: 　利用ANSYS有限元分析程序,對深基坑支護結構的受力性能進行非線性數值模擬，介紹深基坑支護結構建模和分析的方法。通過ANSYS程序提取深基坑支護結構的位移云圖和應力云圖，對基坑的空間性狀進行了較系統的分析，表明ANSYS程序可以有效模擬深基坑支護結構的整個受力和變形過程。

　　關鍵詞：深基坑支護結構;ANSYS;非線性;有限元分析

　　Abstract: By using ANSYS finite element analysis program, the paper conducts the nonlinear numerical simulation of the mechanical properties of deep foundation pit supporting structure, and introduces the methods of the modeling and analysis of deep foundation support structure. The systematic analysis of space property of deep foundation pit by employing the displacement nephogram and stress nephogram of deep foundation pit extracted by the ANSYS program indicates that the ANSYS program can effectively simulate the the entire force and deformation process of the deep foundation pit supporting structure.

　　Key words: deep foundation pit supporting structure; ANSYS; nonlinear; finite element analysis

　　中圖分類號：TV551.4文獻標識碼： A文章編號：2095-2104(2012)

　　0. 引言

　　隨著基坑工程的發展，基坑深度不斷增加，平面形狀也越來越不規則，基坑的空間效應也越來越多地影響到了基坑支護體系的設計及施工。在以往的設計和研究中，人們常常將基坑工程簡化為二維平面應變問題進行分析計算，但是這樣很難反映出基坑工程中諸多的影響因素，特別對于許多形狀不規則的基坑分析結果與實際情況相差較大，給基坑工程的研究和設計帶來了許多新問題。因此，為了較為準確、全面地了解基坑工程的受力性能，需采用有限元方法等數值模擬技術進行結構理論分析研究。大型商業通用有限元分析程序ANSYS在前后處理、模型建立、運算功能和操作界面方面均表現出較強功能。

　　1. 開挖模型的建立

　　所分析的基坑為長方形，長30m，寬30m，開挖深度為7m，采用APDL語言進行建模和分析。由于型鋼混凝土樁身采用C30混凝土，根據混凝土設計規范，其彈性模量為E=3×104N/mm，泊松比ν=0.2。為便于分析，將混凝土樁按照抗彎剛度等效原則轉化為地下連續墻進行模擬。對樁徑為D，樁中心距為d0的圓形樁，換算為連續墻后的厚度為 。本文中取h=0.6m。本文采用ANSYS分析軟件進行建模研究有如下假設：

　　(1) 不考慮支護結構開挖和降水對土體性質的影響。

　　(2) 不考慮土的流變影響。

　　(3) 不考慮地下水的影響。

　　(4) 支護結構采用線彈性模型。

　　(5) 土體為均勻、各向同性的彈塑性材料，土體應力場與溫度無關。

　　支護結構采用shell43單元來模擬，基坑底面以上土壓力為作用在擋土結構上的面荷載，基坑以下的土壓力用彈簧單元模擬。ANSYS模擬基坑開挖的具體實現步驟為：

　　(1) 建立整個支護結構模型及模擬土體作用的土彈簧單元。

　　(2) 逐層殺死土彈簧單元和施加錨桿力，模擬開挖和支撐施工。

　　從上圖可以看出，基坑進行第一步開挖時，坑頂水平位移很小，只有3mm。隨著基坑的繼續開挖，坑頂水平位移逐漸增大，開挖至-4.5m時，坑頂水平位移達到11mm。在施工第一道預應力錨桿后，坑頂水平位移得到控制，為9mm。隨后基坑繼續向下施工，坑頂水平位移增至23mm。隨著第二道預應力錨桿的施工，坑頂位移被控制在22mm。

　　由云圖可知：

　　(1) 坑頂水平位移隨著基坑的開挖逐漸增大，預應力錨桿可以很好的控制基坑變形。

　　(2)從距離基坑中部到基坑角部，樁頂水平位移逐漸變小。這是因為相鄰墻體的空間約束作用，且這種作用在坑角處最大。

　　從上圖可以看出，隨著基坑的開挖，支護結構的應力逐漸增大。在基坑中部，支護結構的Z向應力最大。在基坑的角部，有應力集中的現象。

　　結束語

　　(1) 基坑工程是一個空間問題，三維有限元模型可以有效的反映這一工程實際。本文利用ANSYS建立了考慮基坑空間效應的三維有限元模型，并模擬了土體的開挖和支護的形成，對基坑的空間性狀進行了較系統的分析。研究了在基坑分步開挖過程中，支護結構的水平位移、壓應力分布的情況。將空間效應的影響應用到支護結構設計中，可以適當減少支護結構的用量，從而降低成本，起到事半功倍的作用。

　　(2) 坑角效應是空間效應的一種，本文只是初步的分析了坑角效應產生的影響規律，今后可以采取多個基坑共同分析模擬比較的方法，對比坑角變形的影響規律。

　　(3) 有待做樁土相互作用的分析。樁土相互作用機理非常復雜性，要獲得解析解是十分困難的，所以利用非線性有限元法對該問題進行數值分析是非常必要的。但ANSYS軟件在應用于巖土工程領域時，對巖土等顆粒性材料，其程序內部僅提供了近似Drucker-Prager材料模型，這是一種理想的彈塑性模型，不能夠很好地反映巖土材料的非線性本構關系，ANSYS軟件尚無國內巖土工程領域中廣泛采用的反映巖土材料的非線性本構關系的Duncan-Chang模型。這一缺憾，無疑使ANSYS軟件在土工有限元分析問題中的應用范圍和適用性受到了局限。期待今后進行ANSYS的二次開發，導入Duncan-Chang非線性本構模型來模擬樁土相互作用，從而使得數值模擬更加貼近實際。

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