CN104598296B - 软土深基坑变形数值模拟分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了软土深基坑变形数值模拟分析方法，在基坑开挖之前先取软土在实验室中进行三轴压缩蠕变实验，通过STATISTIC软件拟合获取软土体的时间硬化模型蠕变参数，在基坑设计阶段，应用大型有限元软件ABAQUS建立有限元模型，模型四周建立无限单元模拟无限远处对基坑开挖的影响，通过模拟计算得到基坑土方开挖方式、开挖时间及施工间隙对基坑受力及变形的影响规律。本发明在设计阶段就可以对基坑的施工参数进行优化设计，特别是土方的开挖方式、土方开挖时间及施工间隙这三个重要的参数。通过对这三个参数的优化，可以有效减小基坑的变形及支撑轴力，进而增大基坑的安全系数。

Description

软土深基坑变形数值模拟分析方法

技术领域

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

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

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。

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，通过三轴压缩蠕变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。

作为一种实施方案，步骤1)所采用的通过三轴压缩蠕变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：，式中为蠕变应变率，为蠕变应力，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，式中为蠕变应变，为常数。经由三轴实验数据采用STATISTIC软件拟合可得到最优化曲线，从而可得A、n、m数值。

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。

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。

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0，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%。

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0，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。

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。

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792m×420 m×50m，其中基坑开挖尺寸为132m×72 m×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。

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。

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E1*A1+E2*A2。

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。

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

图1为本发明实施例1的数值模拟分析方法流程图。

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。

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。

图4为本发明实施例1建立的有限元模型示意图。

图5为本发明实施例1中基坑监测点布置图。

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。

图7a为本发明实施例1模拟基坑开挖后CX10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对CX10支护桩体深层水平位移影响对比图；图7c为本发明实施例1模拟基坑土方开挖时间不同对CX10支护桩体深层水平位移影响对比图；图7d为本发明实施例1模拟基坑开挖施工间隙不同对CX10支护桩体深层水平位移影响对比图。

图8a为本发明实施例1Z5点支撑轴力监测与模拟计算对比图；图8b为本发明实施例1开挖方式不同对Z5点支撑轴力影响对比图；图8c为本发明实施例1土方开挖时间不同对Z5点支撑轴力影响对比图；图8d为本发明实施例1施工间隙不同对Z5点支撑轴力影响对比图。

图9a为本发明实施例1基坑外沉降监测与模拟计算对比图；图9b为本发明实施例1开挖方式不同对基坑外沉降对比图；图9c为本发明实施例1R12测点随开挖时间监测与模拟计算对比图；图9d为本发明实施例1土方开挖时间不同对R12测点影响对比图；图9e为本发明实施例1施工间隙不同对R12测点影响对比图。

图10为基坑底板混凝土浇筑后CX4支护桩深层水平位移监测值与计算值对比图。

具体实施方式

实施例1：

实施例以宿迁市苏商大厦深基坑开挖工程为例，该工程基坑挖深10m，局部14m和15.5m。基坑围护结构为钻孔灌注桩加内支撑，桩长22m，第一道支撑位于地面下1.8m，第二道支撑位于地面下7.4m，现采用本发明所述技术对基坑开挖过程进行模拟。本实施例的软土深基坑变形数值模拟分析方法，包括以下步骤：

1)根据本实施例的工程方案，选取合适的模型尺寸，确定土体、基坑围护结构和支撑的材料及其参数，利用大型有限元计算分析软件ABAQUS建立深基坑开挖的有限元模型；

1.1)选取合适的模型尺寸

一般情况下，在水平方向上，基坑的开挖仅对距开挖边界3-5倍基坑开挖宽度的范围内的土体产生实际影响，在3倍宽度处的应力变化一般在10％以下，在5倍宽度处的应力变化范围一般在3％以下； 本发明例所述基坑为正四边形，同时在基坑四周建立三维无限元模拟远方半无限域对基坑开挖的影响。土体块尺寸为792m×210 m×50m，其中基坑开挖尺寸为132m×72 m×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。

1.2)确定土体、基坑围护结构及支撑的材料及其参数

在工程勘察阶段，对本基坑工程开挖影响范围内的软土进行取样，并在实验室中进行三轴压缩蠕变实验。通过STATISTIC软件进行拟合得到软土体的蠕变参数。具体拟合过程如图2所示。图2a为第一层软土蠕变参数拟合图，由拟合图可知，A=0.015062，n=0.098642，m=-0.90016；图2b为第一层软土蠕变参数拟合图，由拟合图可知，A=0.244171，n=-0.13432，m=-0.90539。

其余土体参数由勘察报告中M-C参数转换得来，转换方法如下：，，，上式中和为D-P参数，，为M-C参数，为初始屈服应力。具体转换过程见下表1所示；基坑围护结构采用的材料及其参数，用等效强度法得到，本发明例1中地下连续墙宽度取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E1*A1+E2*A2。钻孔灌注桩直径为0.8米间距1米，C30混凝土杨氏模量为，面积A1=0.1256平方米；土体的杨氏模量为，面积A2=0.8744平方米，所以地下连续墙的等效杨氏模量为E1*A1+E2*A2=30000*0.1256+35*0.8744=3798.6，支撑杨氏模量直接取C30混凝土杨氏模量。具体参数见表2。场地地下水位平均埋深2.5米，第1到第6层土土体的渗透系数分别为：1、0.8、0.6、0.005、0.8、0.005，单位均为米/天。

表1土的力学参数转换表

表2 支撑和地下连续墙的力学参数

	杨氏模量(Es/Pa)	泊松比	密度(kg/m3）
				支撑	3e10	0.2	2600
地下连续墙	3.7986e9	0.2	2600

1.3)利用大型有限元计算分析软件ABAQUS建立深基坑开挖的有限元模型

采用C3D8P单元模拟土体，C3D8P单元是一种计算渗流孔压的完全积分单元；使用完全积分单元，在一定程度上可以提高计算收敛性；

采用C3D8单元模拟基坑围护结构和支撑，因基坑围护结构和支撑中无水渗流，所以无需计算渗流孔压；

采用INC3D8P单元模拟半无限域土体的影响，半无限域土体中仍需考虑土体中渗流。首先在模型四周划分三维有限单元，单元的长度等于1.5倍的待开挖土体的长度，把这些有限单元定义为一个单元集，令此单元集单元类型为C3D20P，将模型文件保存，用记事本打开已保存的模型文件，找到此单元集，将此单元集单元类型改为无限单元类型INC3D8P，在模型的四角设置三维交叉无限单元，此项工作需手动修改，需令单元向外延伸的四个数值满足右手螺旋法则，以第6051号单元为例，如图3所示，如令864,38,709,6390四个节点构成的面为无限远处的面，需令单元节点排列如下：7122,26058,5832,710,864,6390,709,38。其余无限单元修改以此类推。

根据以上选取的单元，建立的有限元模型如图4所示。模型共232404个单元，其中支撑共17440个单元，地下连续墙3400个单元，土体共211564个单元，其中无限单元共9200个。

图5为本发明实施例1中基坑监测点布置图。

2)根据步骤1)所建立的有限元模型，采用场变量控制法和生死单元控制法对深基坑开挖过程进行模拟，对基坑开挖前后基坑围护结构水平位移、支撑轴力和周边地层沉降等的变化情况进行比较分析，得到基坑围护结构和支撑轴力的变化规律，为工程质量控制提供数值参考依据；

2.1)对基坑开挖过程进行模拟

2.1.1)确定有限元模型的荷载，根据深基坑工程施工的过程，主要涉及到如下几种荷载：

自重：土体、基坑围护结构和支撑都处在重力场中受到重力的作用。特别是对于土体材料，由于其材料本身压缩性大、固结时间长等特性，土体在自重应力下将发生较大的变形。而基坑围护结构由于开挖影响产生的变形，是在土体受自重沉降稳定后发生的，故需要将这土体部分位移减去。在模拟中，采用导入初始地应力文件的方法，来消除土体由于自重产生的位移影响。

临边建筑物荷载：在本发明实施例1中临边建筑物为距基坑南侧10m处为一10层高大楼，按每层建筑物15 kpa计算，施加在地面上的建筑物荷载大小为：P＝150kpa。

岩土地应力：岩土是在天然状态经过沉降、堆积、风化等一系列自然作用经过日积月累形成的，内部具有初始应力的存在；一般在开挖施工以前，基坑边界上每一点的土体都在初始应力的作用下，处于一种稳定的平衡状态；当开挖时，基坑部分的土体被挖除，其边界的应力和约束条件都发生改变、内部的初始应力释放，应力场和位移场都发生重大的变化，应力重新分布，最终达到新的平衡。

2.1.2)根据本实施例的工程方案的土层情况建立土体模型，本实施例的工程方案的土层情况可以将土体分为如下六层：a、素填土；b、粉土；c、粉质粘土；d、粉土；e、粘土；f、粉土，其中a、b、d、f四层土模型为D-P(Drucker-prager)本构模型，c、e层土模型为扩展的D-P蠕变模型。在模型中相应位置施加建筑物荷载，施加重力，得到土体在自重下的受力及变形情况，作为初始地应力文件导出保存，在ABAQUS中，具体的命令为*EL PRINT S；

2.1.3)建立临近建筑物、基坑围护结构和支撑共同作用的模型，因模型四周均为无限单元，所以仅需设置模型底部的边界条件，模型底部边界条件设置为全约束。读入初始地应力文件，对整个模型的应力状态进行平衡,在ABAQUS中，具体的命令为*INITIALCONDITIONS,TYPE=STRESS,INPUT=导入文件名.CSV；

由步骤2.1.2)～2.1.3)得到了的Z方向的位移云图如图 6所示。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；

由图6a和图6b可知，未添加无限元的模型经过地应力平衡分析后，模型内节点最大位移为2.165e-5米，添加无限元后模型内节点最大位移变为2.922e-6米，比未添加无限元减小了86.5%，这说明引入无限元后，模型的地应力平衡达到很高的精度；由图6c可知，从应力云图上看，整个模型应力分布均匀，成层状分布，无应力突变点。经过以上分析，可知以上模拟结果合理，能够符合基本的土力学原理，可以进行下一步的开挖；

2.1.4) 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110%，即由增大为，再增大为地下连续墙杨氏模量的50%，即由变为，最后变为混凝土杨氏模量的100%即；同时在地下连续墙与土体之间设置接触面，接触面无厚度，小滑移。接触面的本构关系为：切线方向采用M-C摩擦模型，摩擦系数为0.2，法线方向为刚性，即不允许接触面的相互嵌入；

图6d为模拟地下连续墙施工后的模型应力云图，从图中可以看出，地下连续墙位置处土体应力发生较大变化，在地下连续墙位置处发生应力集中现象。

2.1.5)模拟土体开挖过程，采用场变量控制法改变待开挖土体的杨氏模量，首先把待开挖土体杨氏模量变为土体初始杨氏模量的80%，即由变为，然后再变为土体初始杨氏模量的30%，即由再变为，最后再采用生死单元控制法挖除待开挖土体，并施加支撑；在ABAQUS中，需使用MODEL CHANGE，REMOVE或ADD命令实现土体的挖除和支撑的添加；

2.1.6)每层土开挖结束后，在边界条件设置中，令基坑底面单元孔压为零；

2.1.7)土方全部开挖结束后，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110%，即由变为，再增大为混凝土杨氏模量的50%，即由变为，最后变为混凝土杨氏模量的100%，即由变为；

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。由图6e和图6f可知，模型最大应力为1.202e7，说明应力最大位置为地下连续墙和支撑处，模型的其他部位无应力突变现象；由图6g可知，沿基坑长度方向上地下连续墙最大水平位移为1.553厘米，而基坑浇筑地板后，地下连续墙同一位置处水平位移监测值为1.7厘米，模拟值比监测值小8.65%，这说明模拟值与监测值已经非常接近了。

2.2)对基坑开挖后地下连续墙水平位移的变化情况进行比较分析

2.2.1)地下连续墙变形的分析

图7a为CX10支护桩监测值与计算值对比图。支护桩发生最大位移的点位于地面下2米，最大水平位移为6.11毫米，当埋深达到11米时，支护桩的水平位移变为0；而数值模拟计算中，水平位移最大值的点位于地面下2.1米，最大位移值为7.95毫米，比监测值大1.84毫米，且当埋深达到12米时，支护桩的水平位移值变为0，模拟计算值与监测值的数据较接近，且变形规律基本一致；

通过上述数值模拟分析，能够合理有效地模拟软土中深基坑的开挖过程。下面通过改变开挖方式、开挖时间和开挖施工间隙等工程参数，对不同工况下桩体水平位移、支撑轴力及基坑边沉降的变化情况进行比较分析，得到各工程因素对深基坑开挖变形及支撑轴力的影响作用规律；

图7b为开挖方式不同对CX10支护桩体深层水平位移影响的对比图，其中分块开挖为在基坑中心位置先开挖长60米宽20米的土块，挖深为2米，留下四周土体抵抗基坑围护结构的变形，然后再依次开挖余下的土方。整体开挖就是从基坑的一侧向另一侧推进开挖。从图上可以看出，分块开挖与整体开挖CX10支护桩体变形规律基本一致，发生最大位移的点基本一致，但开挖方式为整体开挖时，CX10支护桩体水平位移最大值为9.11毫米，当开挖方式为分块开挖时，CX10支护桩体水平位移最大值为7.95毫米，两者最大值相差1.16毫米。这说明开挖方式不同对支护桩体的变形影响较大，分块开挖可以有效减小支护桩体的变形；

图7c为开挖时间不同对CX10支护桩体深层水平位移变形的影响对比图。其中原有第一层土方开挖时间为一个月，施工间隙为一个月，第二层土方开挖四个月，施工间隙为一个月，第三层土方开挖时间为四个月，施工间隙为两个月。把开挖时间相应增大为原先的两倍，即开挖时间分别变为两个月，八个月和八个月。从图上可以看出，支护桩体位移的变化规律基本未发生变化，发生最大位移的点位置基本未变，但变形最大值由7.95毫米增大为10.38毫米，变化率为30.67%，由此可见，土方开挖耗时越长，支护桩体的水平位移越大；

图7d为施工间隙不同对CX10支护桩体深层水平位移的影响对比图。原有第一层土方、第二层土方、第三层土方及第三层土方开挖后施工间隙分别为一个月、一个月和两个月，把相应的施工间隙分别增大一倍和二倍，即工况一保持不变，工况二中施工间隙为二个月、二个月和四个月，工况三中施工间隙为四个月、四个月和八个月。由图上可以看出三种工况CX10支护桩体水平位移的变化规律较接近，发生最大位移的点均位于地面下2米左右，但最大值由工况一的7.95毫米变为工况二的9.14毫米和工况三的10.2毫米，分别增加14.97%和28.3%，由此可见，随着开挖施工间隙的增加，CX10支护桩体深层水平位移出现增大的趋势。

2.2.2)支撑轴力变化的分析

图8a为Z5点支撑轴力监测值与计算值对比图，相应的监测时间为261天。图中监测值与计算值变化趋势基本一致，监测最大值为156千牛，计算值为146千牛，两者相差10千牛，支撑轴力在土方开挖期间变化较大，如监测开始的一个月时间，Z5点轴力从0增加到44千牛，而在施工间隙时间Z5点轴力增加较小，如从监测开始的第31天到第40天共10天时间，Z5点支撑轴力从44千牛增加到48千牛。

图8b为基坑开挖方式不同对Z5点支撑轴力的影响对比图。当采用分块开挖时，Z5点支撑轴力为146千牛，当采用整体开挖方式时，Z5点支撑轴力为169千牛，增加15.75%，可见开挖方式不同对支撑轴力的影响较大，当采用分块开挖时，基坑支撑轴力更小；

图8c为第三层土方开挖时间延长两个月对Z5点支撑轴力影响对比图。从图上可以看出，第三层土方开挖前两者计算数据没有变化，当第三层土方开始开挖时，Z5点的支撑轴力开始发生变化，当开挖时间延长时，Z5点支撑轴力的计算值始终大于开挖时间不变情况下的计算值。最终Z5点支撑轴力最大值由146千牛增加到163千牛，增大了17千牛。

图8d为把开挖第二层土方和第三层土方之间施工间隙由一个月增大到3个月时支撑轴力变化对比图。从图中可以看出，Z5点支撑轴力由146千牛增大到154千牛，增大了8千牛。

2.2.3)基坑外水平沉降变化的分析

图9a为R12监测点位置基坑外水平沉降计算值与监测值对比图。从图上可以看出监测值与计算值变化规律基本一致，距基坑边达到12米时，水平沉降变为0，发生最大沉降的点离基坑边4.2米左右，监测值为45.4毫米，计算值为48.6毫米，两者很接近，相差7.05%；

图9b为开挖方式不同对基坑边沉降的影响对比图。由图上可以看出，两者的变化规律基本一致，当开挖方式为分块开挖时，基坑边沉降最大值为48.6毫米，当开挖方式为整体开挖时，基坑边沉降最大值变为51.7毫米，比分块开挖略有增加。基坑边水平沉降的范围也有所扩大，当开挖方式为整体开挖时，水平沉降为0的点距基坑边距离达到12米。

图9c为R12监测点随开挖时间变化对比图。具体开挖时间共337天时间。R12点在土方开挖期间沉降较大，如从刚开始开挖的48天内，R12点沉降监测值从-0.1毫米增加到10.4毫米，而在施工间歇期R12点沉降较小，如从刚开始开挖的第49天到第105天内，R12点沉降监测值从10.4毫米增加到10.8毫米，仅增加了0.4毫米；当开挖第三层土方时，在70天时间内，R12点沉降监测值从26.4毫米增加到45.4毫米，增大了19毫米，这说明开挖深层土方对基坑边的沉降影响更大。从图上可以看出，监测值与计算值曲线变化基本一致，R12点沉降计算值为50.5毫米，仅比监测值大5.1毫米；

图9d为当第二层土方开挖时间从四个月延长至6个月时R12点沉降变化对比图。从图中可以看出，两者变化规律基本一致，R12点沉降值从50.5毫米增大到55.6毫米；

图9e为把第二层和第三层土方开挖施工间隙增大2个月后R12点沉降变化对比图。从图上可以看出，第二层土方开挖完以前，两工况计算数值完全一致，施工间隙增大后，R12点沉降值由50.5毫米增大到58.6毫米；

综上所述，改变开挖方式、开挖时间和施工间隙等施工参数对深基坑变形及支撑轴力的影响较大。这是因为土体是由土粒固体、水及气体组成的，非常复杂，而且软土体具有明显的蠕变效应。总的说来，采用分块开挖、尽量缩短开挖时间和施工间隙对减小深基坑的变形和支撑轴力的大小有较明显的效果。

图10为基坑底板混凝土浇筑好后，CX4支护桩深层水平位移对比图。两者变化规律基本一致，发生最大位移的点埋深两米左右，监测最大值为6.19毫米，模拟计算值为7.35毫米，两者较接近；因此，本实施例的工程方案具有很高的可行性。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，如还可以应用于隧道开挖模拟计算中，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.软土深基坑变形数值模拟分析方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在工程勘察阶段，通过三轴压缩蠕变试验获取软土体的蠕变实验参数，软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，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；根据基坑开挖施工方案、临近建筑物位置，确定基坑围护结构、土体的参数，引入无限单元模拟半无限域的影响，建立开挖有限元模型；

2)根据步骤1)所建立的有限元模型，把临近建筑物等效为荷载施加在模型上，并对模型的地应力进行平衡；采用场变量控制法和生死单元控制法对基坑围护结构及土体开挖过程进行模拟，对土方开挖前后的基坑围护结构水平位移、地面沉降、支撑轴力的变化情况进行比较分析，得到基坑围护结构及支撑变形和内力的变化规律，为基坑围护结构变形监测等提供参考依据；

3)通过改变待开挖土方开挖方式、开挖时间及施工间隙这几个工程因素的施工参数，采用步骤1)和步骤2)的方法建立多组不同工况下的有限元模型，对各工况下基坑围护结构水平位移、基坑边沉降、支撑轴力的变化情况进行比较分析，得到施工参数对深基坑开挖的影响作用规律，从而得到优化的施工参数。

2.如权利要求1所述的软土深基坑变形数值模拟分析方法，其特征在于：步骤1)所述采用通过三轴压缩蠕变试验获取软土体的蠕变实验参数，引入无限单元模拟半无限域的影响，建立开挖有限元模型具体如下：

a)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：，式中为蠕变应变率，为蠕变应力，为时间；

A、n、m为需通过实验确定的三个参数；

b)上式可以定义为，式中为蠕变应变，C为常数；

经由三轴压缩蠕变实验获取的实验数据采用STATISTIC软件拟合可得到最优化曲线，从而可得A、n、m数值；

c)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；

d)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；

e)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，为了保证模拟的顺利进行，首先把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杨氏模量的100%；

f)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10%-30%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；

g)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；

h)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，再把底板位置土体杨氏模量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c)～d)是基坑开挖前的模拟；步骤e)～g)是基坑开挖过程中的模拟；步骤h)是基坑开挖结束后的模拟。

3.如权利要求2所述的软土深基坑变形数值模拟分析方法，其特征在于：步骤c)中基坑四周添加半无限域采用的方法是：先在基坑四周建立三维无限单元，然后在模型四角建立三维交叉无限单元，以模拟基坑无限远处对基坑开挖的影响。

4.如权利要求2所述的软土深基坑变形数值模拟分析方法，其特征在于：步骤e)采用场变量控制法改变土体的杨氏模量的具体方法是，利用场变量关联土体的杨氏模量，通过在计算过程中改变场变量的值，进而改变土体杨氏模量的值。

5.如权利要求2所述的软土深基坑变形数值模拟分析方法，其特征在于：步骤a)所述土体模型为扩展的双曲线D-P蠕变模型，土体蠕变法则采用时间硬化幂函数定义。

6.如权利要求1所述的软土深基坑变形数值模拟分析方法，其特征在于：步骤1)所述基坑为正四边形，土体块尺寸为792m×420 m×50m，其中基坑开挖尺寸为132m×72 m×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108 m，在高度方向上，模型高度取5倍开挖深度。

7.如权利要求1所述的软土深基坑变形数值模拟分析方法，其特征在于：步骤1)所述基坑围护结构采用钻孔灌注桩加内支撑，钻孔灌注桩和内支撑均为C30钢筋砼浇筑，因在钻孔灌注桩和内支撑中钢筋含量很小，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可视为完全由C30砼组成，C30砼泊松比为0.2，重度为26KN/m³；为节省计算时间，将钻孔灌注桩等效为地下连续墙，地下连续墙的参数通过强度等效法得到，地下连续墙的宽度取1米。

8.如权利要求1-7任一项所述的软土深基坑变形数值模拟分析方法，其特征在于：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。