摘要：基坑開挖是基礎和地下工程施工中的一個古老的傳統(tǒng)課題，同時又是一個綜合性的巖土工程難題，既涉及土力學中典型的強度與穩(wěn)定問題，又包含了變形問題，同時還涉及到土與支護結構的共同作用。本文以某一基坑工程為例，應用二維快速拉格朗日有限差分程序-FLAC2D建立有限元模型，對基坑開挖進行數(shù)值模擬計算，根據(jù)計算結果，對支護結構的變形特性進行分析。
1概述
對這些問題的認識及其對策的研究，是隨著土力學理論、分析技術等各方面的進步而逐步完善的[1]。因此，加強基坑工程計算理論的研究，對基坑工程的科學發(fā)展具有指導意義。有限元分析方法已經(jīng)廣泛應用到深基坑工程當中，它不但可以模擬支護結構在工作狀態(tài)下的內力，也可以進行比較精確的變形分析，更主要的是有限元法能模擬開挖過程，這是極限平衡分析法無法做到的。
2工程實例概況
該工程為邯鄲市中心醫(yī)院病房樓基坑，基坑開挖深度12.5m。根據(jù)該場地工程勘察結果，該工程場地地層結構較為簡單。
本文取基坑南面的土釘墻支護方式作為研究對象。該段基坑開挖深度為12.5m，邊坡坡度為1：0.3，土釘傾角為10°，土釘長度為9m～14m不等。土釘水平間距為1.4m，第一排土釘距離基坑頂0.8m，其余各層土釘垂直間距均為1.4m。面層為鋼筋網(wǎng)噴射C20混凝土，土釘與面層連接牢，具體支護方案。
為簡便起見，計算深度內的土層簡化為三層，土的物理力學參數(shù)取各層土的加權平均值。各層土及土釘、面層具體參數(shù)。
3模型建立及模擬結果分析
3.1模型建立
計算模型利用基坑結構的對稱性，取一列豎向土釘及其周圍土體進行計算分析，計算范圍為，基坑外取基坑開挖深度的約2.3倍，基坑底部往下取開挖深度的約2.6倍，基坑模型整體高為44.5m，整體寬為45m。計算深度范圍內土體共分為三層，地表到基坑底部為第一層，基底往下15m為第二層，再往下17m為第三層。
土方分層開挖，每步開挖深度比該層土釘頭標高低0.5m，基坑開挖與支護分九步進行。
本文選用理想彈塑性本構模型。模型中土的破壞準則采用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則描述。土釘采用FLAC軟件中的錨索（Cable）單元進行模擬。噴射混凝土面層則采用梁（Beam）單元進行模擬。模型兩邊結點約束水平方向自由度，底部結點約束全部自由度，最終生成的有限元模型（施加了邊界約束條件）如圖3所示，同時，為簡化計算作如下假設：（1）按平面應變考慮，利用對稱性進行分析。（2）土體與土釘均為均勻、連續(xù)、各向同性彈塑性材料。（3）土釘以及混凝土面板處于線彈性受力狀態(tài)，土體為彈塑性體，采用Drucker-Prager模型。（4）不考慮邊角效應，單位間距上的土體、土釘及面板單元受力和位移情況均相同。（5）在基坑開挖前及整個開挖期間，不考慮地下水對支護結構的影響。
3.2計算過程及結果分析
?。?）基坑在實際開挖前，土體在長期自重應力作用下已處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此在模擬基坑開挖前對尚未開挖的土體進行自重力平衡計算，得到土體的初始應力狀態(tài)；（2）初始化位移、速度、邊界條件，并施加外荷載計算應力；（3）模擬基坑開挖，分9步，每步開挖后進行平衡計算，直至開挖結束。
開挖結束后，坡面結點水平位移云圖。據(jù)此計算結果，繪制基坑壁結點水平方向位移與深度的關系，負值表示位移方向朝向基坑內側，正值為基坑外側。
可以看出：（1）隨著開挖的進行，邊坡的側向約束被逐步解除而產(chǎn)生水平位移，且在同一深度處的水平位移隨開挖的進行而逐步增加；（2）除第一步是開挖1.3m后施加第一層土釘外，其余各步都是開挖1.9m后施工土釘，卸荷量大致相等，因而位移變化曲線的形狀也十分相似；（3）隨著開挖深度的增加，位移增量逐步減小，這是因為隨著開挖的進行，應力重新分布，土體逐漸平衡所致；（4）基坑水平位移總體上呈現(xiàn)基坑頂部和底部小，基坑中部大的形式，并且在中部偏下大約0.8倍基坑深度的（大約10m）處，坑壁水平位移達到最大值，約28mm。
結語
?。?）為簡化計算，對模型及土層參數(shù)進行了一些簡化，這些簡化是否合理尚需以后的工程實踐檢驗。（2）本工程基坑南側緊鄰市區(qū)主要道路，車輛產(chǎn)生的動荷載對基坑壁水平位移的影響有待進一步研究。
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