基坑工程开挖模拟-ansys三维有限元分析报告
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图 2 模型中考虑的基坑周边环境和平面示意图
-2-
春江学校人防工程（地下停车场）项目
有限元分析
图 3 西侧支护结构剖面图
图 4 北侧地铁与基坑相对位置关系 2.计算模型 基于基坑开挖对周边环境的影响，同时考虑到模型计算的准确性，在平面范围内， 基坑边界取值为基坑开挖深度的 4.5 倍，竖向边界则为 3 倍。整体模型尺寸为长×宽 ×高＝261m×204m×31m，模型计算时，南侧出土口按 30Kpa 超载考虑，其余侧按设 计计算取值 20Kpa 超载考虑，整体分析模型如图 5 所示，基坑支护结构模型如图 6 所示，基坑开挖过程模型如图 7 所示。
⑴ 计算假定：本次分析过程中，为计算方便作如下基本假定：
各层土体为各向同性体，土体假定为弹塑性体；
支撑结构为有一定弹性刚度的杆件； 土体与挡土结构之间保持紧密接触，满足位移协调条件； 由于本工程采用全封闭式支护结构，因此不考虑基坑降水因素，仅考虑基坑
开挖卸荷对临近建构筑物的影响。 ⑵ 计算理论：弹塑性理论。 ⑶ 单元选取：
-3-
春江学校人防工程（地下停车场）项目
有限元分析
图 5 整体分Байду номын сангаас模型 图 6 围护体系模型
图 7 开挖过程模拟 3.计算结果及分析 基于围护体系采用的是悬臂体系，以开挖到底最不利工况为变形控制条件，模拟 分析春江学校人防工程基坑土方开挖时，竖向挡土构件的控制变形情形。竖向挡土构 件围护桩体变形云图如图 8 和图 9。
但是地下工程具有诸多不可预见的因素，理论计算的结果和实际存在一定差异，
相邻构筑物的变形影响，分析结论如下：
实际的变形和可能比理论计算值大。本工程在施工中采取可靠、合理的技术措施，对
春江学校人防工程围护桩体在基坑开挖阶段将发生一定位移，其最大位移发生在 周边环境保护的要求是完全可能达到的。
基坑开挖至基坑底工况，此为最不利工况条件，最大水平位移值为 12.4mm，主要位
于基坑北侧阳角及东、西侧长边中段顶部。
基坑开挖阶段对周边有一定影响，但总体影响很小，由此可见，在基坑工程施工
阶段，临近建筑物的最大水平位移为 2.4mm，建筑物最大倾斜为 0.2‰，满足对周边
环境保护的功能需求，验证了设计方案的合理性。
“春江新城站”水平位移最大值为 3.98mm，位于车站中部，最大沉降发生在临坑
-4-
春江学校人防工程（地下停车场）项目
图 8 基坑开挖至基坑底标高时围护桩体 x 方向变形
有限元分析
移最大值位置位于基坑西侧和东侧中段顶部处，最大值为 12.4mm。y 方向位移最大值 位于基坑南侧和北侧中段顶部区域及北侧阳角处，最大值约为 4.0mm。
（2）周围建筑沉降分析 A．“教学楼” 基坑开挖至坑底时场地东侧“教学楼”的水平位移如图 10 所示，沉降如图 11 所 示。 由图 10 计算结果可见，“教学楼”水平位移最大值为 2.4mm，教学楼由于基坑开 挖而产生的倾斜度较小可以忽略。由图 11 可见，“教学楼”的最大沉降发生在离基 坑较近的一侧，最大值为 1.68mm。而离基坑较远一侧的沉降为 0.86mm。最大沉降差 为 0.82mm，相对于“教学楼”的平面长度约为 18m，则相对沉降为 0.045‰。综上可 知基坑开挖对教学楼的影响比较小。
凝土和土壤材料，由于这些材料属于颗粒状材料，受压屈服强度远大于受拉 屈服强度，且材料受剪时颗粒会膨胀，常用的 Mises 屈服准则不适合这类材 料。ANSYS 中的 Drucker－Prager 屈服准则能够准确的描述这类材料，使用 Drucker－Prager 准则的材料简称为 D-P 材料。
1、计算模型
25.2
（80）
φ
（15.0） 16.9 15.1
（30.0） （30.0） （30.0） （30.0） （30.0） （30.0） （30.0）
泊松比
0.35 0.33 0.33 0.32 0.32 0.32 0.3 0.3 0.3 0.3
压缩模量 （MPa）
11.85 7.87 10.67
/
/ / / / / /
面一侧，最大值为 1.80mm。地铁沉降变形均处于规范允许的范围内。
基坑土方开挖对周边建筑影响统计见表 2。
表 2 土方开挖阶段对周边建筑的影响
周边建筑
结构形式
教学楼
钢筋混凝土
居民楼 春江新城站
钢筋混凝土 /
基础 形式
天然 地基 天然 地基 桩基
地上 层数
4
地下 层数
距离 最大 相对 基坑 沉降 沉降 边距离 （mm） （‰）
-8-
图 12 开挖到坑底时东侧“居民楼”的水平位移（m）
图 13 开挖到坑底时东侧“居民楼”的竖向位移（m）
-6-
春江学校人防工程（地下停车场）项目
C．“春江新城站” 基坑开挖至坑底时，“春江新城站”与基坑整体水平向位移如图 14 所示，场地北 侧“春江新城站”的水平位移如图 15 所示，沉降如图 16 所示。 由图 15 计算结果可见，“春江新城站”水平位移最大值为 3.9mm，位于车站中部， 由图 16 得知，“春江新城站”的最大沉降发生在临坑面一侧，最大值为 1.80mm。地 铁沉降均处于规范允许的范围内。结合基坑与春江新城站相对位置关系分析，基坑开 挖面位于地铁结构中上部，有利于基坑开挖的变形控制，采用共用地铁基坑围护桩的 设计方案，一方面，降低了基坑竖向挡土构件的施工对地铁结构地基土的扰动；另一 方面，1000@1400 的较大直径的围护桩体，能较好的控制基坑围护体系的变形。针对 本基坑的特点及工程地质条件，基坑北侧采用共用地铁基坑围护桩的方案，能够有效 的控制基坑本体及地铁的变形。
图 1 D-P 材料屈服曲面
计算中的土体参数根据岩土勘察报告提供的参数选用，变形模量则根据地质报告 提供数值按土体的应力状态进行调整。
2、土体计算参数 选取场地典型土体分层及相应参数见表 1。
土体采用空间八结点 SOLID185 单元，它是一种实体单元，有八个节点，每个
节点有 3 个沿着 xyz 方向平移的自由度，在定义了材料非线性之后，该单元
3、计算内容
根据上文对周围环境的简述，本报告针对重点保护对象，进行施工过程的有限元
模拟，分析基坑开挖时竖向挡土构件的水平位移；周围建筑物水平位移与沉降。
二、基坑开挖有限元分析
1.模型参数
基坑工程围护结构竖向体系布置平面图见图 2、西侧支护结构剖面图如 3、北侧
地铁与基坑相对位置关系见图 4。
有限元分析
无
11
1.68 0.045
6
无
28
1.56 0.025
/
2
/
1.80 0.011
三、总结
由建模计算的结果可知，基坑开挖阶段对周边建筑物有一定影响，但总体影响很
小。教学楼及居民楼均为天然地基，相对变形较大，变形最大为 12.4mm，地铁最大
水平位移仅为 3.98mm。说明本基坑工程设计满足对周边环境保护的功能需求，验证
此，为了较准确的了解本工程基坑土方开挖对相邻建筑及地铁结构（南京地铁 S3 号
线春江新城站）产生的附加变形，运用三维数值分析软件 ANSYS，对基坑开挖过程进
行数值模拟分析，验证基坑工程设计的合理性。
外取基坑开挖深度的 4.5 倍； ⑸ 边界条件：上表面为自由面，四周边界面约束法向位移，底部约束竖向位移； ⑹ 土体模型：土体模型满足 Drucker-Prager 屈服准则。该准则适用于岩石、混
（40）
②
粉质黏土 24.7
20.0
43
③
粉质黏土 21.2
20.6
④
粉质黏土夹卵 砾石
/
22.5
⑤ 全风化凝灰岩 /
23.3
72 （80） （80）
⑥ 强风化凝灰岩 /
26.0
（80）
⑦ 中风化凝灰岩 /
23.5
（80）
⑧ 全风化安山岩 /
24.8
（80）
⑨ 强风化安山岩 /
25.3
（80）
⑨1 中风化安山岩 /
也可以计算非线性问题；
竖向挡土构件及车站均采用 shell（壳）单元；
⑷ 模型计算范围：模型竖向方向计算深度取基坑开挖深度的 3 倍；水平方向基坑
-1-
春江学校人防工程（地下停车场）项目
表 1 模型中土体分层及相应参数一览表
土层 编号
C 土层名称 W（%） γ（kN/m）
（kPa）
①
杂填土 22.6 20.1
有限元分析
图 15 开挖到坑底时“春江新城站”水平向位移（m）
图 14 开挖到坑底时“春江新城站”与基坑整体水平向位移（m）
图 16 开挖到坑底时“春江新城站”竖向位移（m）
-7-
春江学校人防工程（地下停车场）项目
有限元分析
4.结论
了设计方案的合理性。
通过建立基坑周边重要保护对象及基坑本体的三维有限元模型，分析基坑开挖对
图 9 基坑开挖至基坑底标高时围护桩体 y 方向变形 基坑开挖至基坑底标高时，由竖向档土构件的变形云图可知，围护桩体 x 方向位
图 10 开挖到坑底时东侧“教学楼”的水平位移（m）
-5-
春江学校人防工程（地下停车场）项目
有限元分析
图 11 开挖到坑底时东侧“教学楼”的竖向位移（m） B．“居民楼” 基坑开挖至坑底时场地南侧“居民楼”的水平位移如图 12 所示，沉降如图 13 所 示。 由图 12 计算结果可见，“居民楼”水平位移最大值为 2.0mm，教学楼由于基坑开 挖而产生的倾斜度较小可以忽略。由图 13 得知，“教学楼”的最大沉降发生在离基 坑较近的一侧，最大值仅为 1.56mm。而离基坑较远一侧的沉降为 0.31mm。最大沉降 差为 1.25mm，则相对沉降为 0.025‰。由于居民楼位于两倍的开挖深度以外，结合场 地地层条件较好状况，综上分析基坑开挖对居民楼区的影响比较小。
春江学校人防工程（地下停车场）项目
有限元分析
一、前言
春江学校人防工程（地下停车场）项目有限元分析
本工程基坑规模较大，属深大基坑，基坑周边与市政道路、建筑物相临，其中包
括基坑北侧距在建的南京地铁 S3 号线春江新城车站，仅为 5 米，对变形控制要求极
高，基坑开挖如造成上述构筑物的变形超出控制指标，将造成较大社会负面影响。因
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有限元分析
图 3 西侧支护结构剖面图
图 4 北侧地铁与基坑相对位置关系 2.计算模型 基于基坑开挖对周边环境的影响，同时考虑到模型计算的准确性，在平面范围内， 基坑边界取值为基坑开挖深度的 4.5 倍，竖向边界则为 3 倍。整体模型尺寸为长×宽 ×高＝261m×204m×31m，模型计算时，南侧出土口按 30Kpa 超载考虑，其余侧按设 计计算取值 20Kpa 超载考虑，整体分析模型如图 5 所示，基坑支护结构模型如图 6 所示，基坑开挖过程模型如图 7 所示。
⑴ 计算假定：本次分析过程中，为计算方便作如下基本假定：
各层土体为各向同性体，土体假定为弹塑性体；
支撑结构为有一定弹性刚度的杆件； 土体与挡土结构之间保持紧密接触，满足位移协调条件； 由于本工程采用全封闭式支护结构，因此不考虑基坑降水因素，仅考虑基坑
开挖卸荷对临近建构筑物的影响。 ⑵ 计算理论：弹塑性理论。 ⑶ 单元选取：
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有限元分析
图 5 整体分Байду номын сангаас模型 图 6 围护体系模型
图 7 开挖过程模拟 3.计算结果及分析 基于围护体系采用的是悬臂体系，以开挖到底最不利工况为变形控制条件，模拟 分析春江学校人防工程基坑土方开挖时，竖向挡土构件的控制变形情形。竖向挡土构 件围护桩体变形云图如图 8 和图 9。
但是地下工程具有诸多不可预见的因素，理论计算的结果和实际存在一定差异，
相邻构筑物的变形影响，分析结论如下：
实际的变形和可能比理论计算值大。本工程在施工中采取可靠、合理的技术措施，对
春江学校人防工程围护桩体在基坑开挖阶段将发生一定位移，其最大位移发生在 周边环境保护的要求是完全可能达到的。
基坑开挖至基坑底工况，此为最不利工况条件，最大水平位移值为 12.4mm，主要位
于基坑北侧阳角及东、西侧长边中段顶部。
基坑开挖阶段对周边有一定影响，但总体影响很小，由此可见，在基坑工程施工
阶段，临近建筑物的最大水平位移为 2.4mm，建筑物最大倾斜为 0.2‰，满足对周边
环境保护的功能需求，验证了设计方案的合理性。
“春江新城站”水平位移最大值为 3.98mm，位于车站中部，最大沉降发生在临坑
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图 8 基坑开挖至基坑底标高时围护桩体 x 方向变形
有限元分析
移最大值位置位于基坑西侧和东侧中段顶部处，最大值为 12.4mm。y 方向位移最大值 位于基坑南侧和北侧中段顶部区域及北侧阳角处，最大值约为 4.0mm。
（2）周围建筑沉降分析 A．“教学楼” 基坑开挖至坑底时场地东侧“教学楼”的水平位移如图 10 所示，沉降如图 11 所 示。 由图 10 计算结果可见，“教学楼”水平位移最大值为 2.4mm，教学楼由于基坑开 挖而产生的倾斜度较小可以忽略。由图 11 可见，“教学楼”的最大沉降发生在离基 坑较近的一侧，最大值为 1.68mm。而离基坑较远一侧的沉降为 0.86mm。最大沉降差 为 0.82mm，相对于“教学楼”的平面长度约为 18m，则相对沉降为 0.045‰。综上可 知基坑开挖对教学楼的影响比较小。
凝土和土壤材料，由于这些材料属于颗粒状材料，受压屈服强度远大于受拉 屈服强度，且材料受剪时颗粒会膨胀，常用的 Mises 屈服准则不适合这类材 料。ANSYS 中的 Drucker－Prager 屈服准则能够准确的描述这类材料，使用 Drucker－Prager 准则的材料简称为 D-P 材料。
1、计算模型
25.2
（80）
φ
（15.0） 16.9 15.1
（30.0） （30.0） （30.0） （30.0） （30.0） （30.0） （30.0）
泊松比
0.35 0.33 0.33 0.32 0.32 0.32 0.3 0.3 0.3 0.3
压缩模量 （MPa）
11.85 7.87 10.67
/
/ / / / / /
面一侧，最大值为 1.80mm。地铁沉降变形均处于规范允许的范围内。
基坑土方开挖对周边建筑影响统计见表 2。
表 2 土方开挖阶段对周边建筑的影响
周边建筑
结构形式
教学楼
钢筋混凝土
居民楼 春江新城站
钢筋混凝土 /
基础 形式
天然 地基 天然 地基 桩基
地上 层数
4
地下 层数
距离 最大 相对 基坑 沉降 沉降 边距离 （mm） （‰）
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图 12 开挖到坑底时东侧“居民楼”的水平位移（m）
图 13 开挖到坑底时东侧“居民楼”的竖向位移（m）
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C．“春江新城站” 基坑开挖至坑底时，“春江新城站”与基坑整体水平向位移如图 14 所示，场地北 侧“春江新城站”的水平位移如图 15 所示，沉降如图 16 所示。 由图 15 计算结果可见，“春江新城站”水平位移最大值为 3.9mm，位于车站中部， 由图 16 得知，“春江新城站”的最大沉降发生在临坑面一侧，最大值为 1.80mm。地 铁沉降均处于规范允许的范围内。结合基坑与春江新城站相对位置关系分析，基坑开 挖面位于地铁结构中上部，有利于基坑开挖的变形控制，采用共用地铁基坑围护桩的 设计方案，一方面，降低了基坑竖向挡土构件的施工对地铁结构地基土的扰动；另一 方面，1000@1400 的较大直径的围护桩体，能较好的控制基坑围护体系的变形。针对 本基坑的特点及工程地质条件，基坑北侧采用共用地铁基坑围护桩的方案，能够有效 的控制基坑本体及地铁的变形。
图 1 D-P 材料屈服曲面
计算中的土体参数根据岩土勘察报告提供的参数选用，变形模量则根据地质报告 提供数值按土体的应力状态进行调整。
2、土体计算参数 选取场地典型土体分层及相应参数见表 1。
土体采用空间八结点 SOLID185 单元，它是一种实体单元，有八个节点，每个
节点有 3 个沿着 xyz 方向平移的自由度，在定义了材料非线性之后，该单元
3、计算内容
根据上文对周围环境的简述，本报告针对重点保护对象，进行施工过程的有限元
模拟，分析基坑开挖时竖向挡土构件的水平位移；周围建筑物水平位移与沉降。
二、基坑开挖有限元分析
1.模型参数
基坑工程围护结构竖向体系布置平面图见图 2、西侧支护结构剖面图如 3、北侧
地铁与基坑相对位置关系见图 4。
有限元分析
无
11
1.68 0.045
6
无
28
1.56 0.025
/
2
/
1.80 0.011
三、总结
由建模计算的结果可知，基坑开挖阶段对周边建筑物有一定影响，但总体影响很
小。教学楼及居民楼均为天然地基，相对变形较大，变形最大为 12.4mm，地铁最大
水平位移仅为 3.98mm。说明本基坑工程设计满足对周边环境保护的功能需求，验证
此，为了较准确的了解本工程基坑土方开挖对相邻建筑及地铁结构（南京地铁 S3 号
线春江新城站）产生的附加变形，运用三维数值分析软件 ANSYS，对基坑开挖过程进
行数值模拟分析，验证基坑工程设计的合理性。
外取基坑开挖深度的 4.5 倍； ⑸ 边界条件：上表面为自由面，四周边界面约束法向位移，底部约束竖向位移； ⑹ 土体模型：土体模型满足 Drucker-Prager 屈服准则。该准则适用于岩石、混
（40）
②
粉质黏土 24.7
20.0
43
③
粉质黏土 21.2
20.6
④
粉质黏土夹卵 砾石
/
22.5
⑤ 全风化凝灰岩 /
23.3
72 （80） （80）
⑥ 强风化凝灰岩 /
26.0
（80）
⑦ 中风化凝灰岩 /
23.5
（80）
⑧ 全风化安山岩 /
24.8
（80）
⑨ 强风化安山岩 /
25.3
（80）
⑨1 中风化安山岩 /
也可以计算非线性问题；
竖向挡土构件及车站均采用 shell（壳）单元；
⑷ 模型计算范围：模型竖向方向计算深度取基坑开挖深度的 3 倍；水平方向基坑
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表 1 模型中土体分层及相应参数一览表
土层 编号
C 土层名称 W（%） γ（kN/m）
（kPa）
①
杂填土 22.6 20.1
有限元分析
图 15 开挖到坑底时“春江新城站”水平向位移（m）
图 14 开挖到坑底时“春江新城站”与基坑整体水平向位移（m）
图 16 开挖到坑底时“春江新城站”竖向位移（m）
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有限元分析
4.结论
了设计方案的合理性。
通过建立基坑周边重要保护对象及基坑本体的三维有限元模型，分析基坑开挖对
图 9 基坑开挖至基坑底标高时围护桩体 y 方向变形 基坑开挖至基坑底标高时，由竖向档土构件的变形云图可知，围护桩体 x 方向位
图 10 开挖到坑底时东侧“教学楼”的水平位移（m）
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有限元分析
图 11 开挖到坑底时东侧“教学楼”的竖向位移（m） B．“居民楼” 基坑开挖至坑底时场地南侧“居民楼”的水平位移如图 12 所示，沉降如图 13 所 示。 由图 12 计算结果可见，“居民楼”水平位移最大值为 2.0mm，教学楼由于基坑开 挖而产生的倾斜度较小可以忽略。由图 13 得知，“教学楼”的最大沉降发生在离基 坑较近的一侧，最大值仅为 1.56mm。而离基坑较远一侧的沉降为 0.31mm。最大沉降 差为 1.25mm，则相对沉降为 0.025‰。由于居民楼位于两倍的开挖深度以外，结合场 地地层条件较好状况，综上分析基坑开挖对居民楼区的影响比较小。
春江学校人防工程（地下停车场）项目
有限元分析
一、前言
春江学校人防工程（地下停车场）项目有限元分析
本工程基坑规模较大，属深大基坑，基坑周边与市政道路、建筑物相临，其中包
括基坑北侧距在建的南京地铁 S3 号线春江新城车站，仅为 5 米，对变形控制要求极
高，基坑开挖如造成上述构筑物的变形超出控制指标，将造成较大社会负面影响。因