基于ADINA的基坑开挖有限元模拟分析

基于ADINA的基坑开挖有限元模拟分析
张力，张宁宁
辽宁工程技术大学研究生院，辽宁阜新（123000）
E-mail：znn88888888@
摘要：基坑开挖由于场地的复杂性对开挖过程的有限元模拟是一个复杂的过程，本文应用大型有限元软件ADINA，对基坑的开挖进行模拟分析，通过对参数的调整和二维平面的实例分析说明采用ADINA进行模拟是可行的。

关键词：深基坑，有限元，ADINA
中图分类号：TU258.6
1．引言
基坑开挖是基础和地下工程的一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程难题，由于不同的地质条件的影响，不能对其进行通用性的研究，需要因地制宜选取最优方案，深基坑开挖的研究涉及了许多方面的问题，一般可分为基坑本身的稳定性，应力应变问题，基坑支护结构的变形问题以及基坑周围土体的位移及其对临近建筑物和地下管线的影响等[1]。

对这些问题现今主要的研究方法有：工程经验总结，现场及室内试验研究、数值模拟计算，近几十年，国内外学者进行了大量基坑开挖性状的研究工作，并已取得了相当丰富的成果。

Terzaghi和Peck等人早在20世纪40年代就提出了预估挖方稳定程序和支撑荷载大小的总应力法；Bjenum和Eide在20世纪50年代给出了分析深基坑底板隆起的方法；20世纪60年代开始在奥斯陆和墨西哥城软黏土深基坑中使用仪器进行监测；20世纪70年代产生了相应的指导开挖的法规；从20世纪80年代初开始，我国逐步进入深基坑设计与施工领域；20世纪90年代以后，我国编制了多部国家行业标准及地方的相关法规。

国内许多专家提出新的理论和方法，秦四清提出支护结构优化设计理论；杨光华提出多锚撑设计增量计算法；刘建航院士提出软土深基坑开挖的时空效应理论[2]。

2. 我国深基坑工程存在的主要问题
深基坑开挖中大量的实测资料表明，基坑周边向基坑内发生的水平位移是中间大两边小。

深基坑边坡失稳常常以长边的居中位置发生，这说明深基坑开挖是一个空间问题。

传统的深基坑支护结构的设计是按平面应变问题处理的。

对一些细长条基坑来讲，这种平面应变假设比较符合实际，而对近似方形或长方形深基坑则差别比较大。

所以，在未能进行空间问题处理前而需按平面应变假设设计时，支护结构的构造要适当调整，以适应开挖空间效应的要求。

深基坑支护结构所承担的土压力大小直接影响其安全度，但要精确地计算土压力目前还十分困难，所以许多工程至今仍在采用库仑公式或郎肯公式近似计算。

此时，土体物理力学参数的选择是一个十分复杂的问题。

如果对地基土体的物理力学参数取值不准，将对有限元分析的结果产生很大的影响。

3. 有限元理论
有限元方法最初是在50年代作为处理固体力学问题的方法提出的。

国外在这方面起步比较早。

纵观已有的研究，有限元在土力学的发展大致有三个方向：有限元计算中土体本构
关系模型的发展、改进；有限元计算方法本身的改进；计算程序面向工程界，向通用性、规范化发展。

有限元法真正用于实际工程是在上世纪中叶电子计算机出现以后，自从1966年美国的克拉夫和伍德首先用有限元分析土坝以来，有限元法在岩土工程中应用越来越广。

Duncan 和Chang（1970）用有限单元法对一水泵厂施工现场的基坑开挖进行了分析，采用了Duncan-Chang模型来描述土的应力应变关系。

Clough和Duncan最早采用接触面单元来描述土与墙之间的接触特性，并对一档土墙进行了有限元分析。

L.V.Medeiros对一开挖至破坏的试验基坑及周围土体进行了有限元分析，分析表明，非线性应力-应变关系能较好地反映实际。

正是由于深基坑开挖的复杂性和有限元分析方法的广泛通用性及其灵活性等特点，许多学者都采用有限元方法分析基坑开挖问题。

我国的宋二祥，陆新征等人，对地连墙内支撑深基坑开挖支护进行非线性三维有限元模拟和分析；赵海燕，张尚根等对基坑支护结构的变形进行动态分析；张崇文等人提出了三维空间桩土作用的有限层—有限元混合法，并进行了实例分析；
有限元方法运用于实际工程中往往计算量较大，随着有限元理论的不断成熟和计算机性能的不断提高，国内外都通过开发计算机程序来增强有限元方法的通用性。

国内外至上世纪80年代以来有上百种的有限元程序问世，其中美国麻省理工学院著名教授K·J·Bathe 领导开发的大型有限元分析软件ADINA被广泛的应用于岩土工程等众多领域。

4. 实例分析
某办公楼工程为高层建筑，附带裙房部分，高层部分地上26层，地下2层；裙房部分地上4层，地下2层，其余车库部分为地下2层。

高层部分基础埋深11.3m，其余部分基础埋深为9.93m，基础的结构形式为筏板基础。

该工程新建高层部分与原办公楼紧密相连，工程周边建筑物比较密集。

根据有关方面提供的岩土工程勘察报告，本场地地层主要由杂填土、粘性土、砂类土组成，自上而下划分为4层：杂填土层、粉质粘土层、粗砂层、砾砂层。

采用的有限元模型如下图1所示：
图1 有限元模型
Fig 1 finite element model
图2 A点位移比较图3 B点位移比较
Fig 2 comparison of point A Fig 3 comparison of point B
图4 C点位移比较图5 D点位移比较
Fig 4 comparison of point C Fig 5 comparison of point D
5. 结论
在使用有限元软件模拟基坑工程时，可以根据问题的侧重，根据工程实际，简化计算模型，而且由于实际工程土体的不确定性，有限元材料模型是不可能能准确的反映实际土体的变形特性，因此是大致反应开挖的过程，通过实例分析说明用ADINA模拟基坑开挖是可行的。

参考文献
[1] 宋二祥,娄鹏,陆新征等．某特深基坑支护的非线性三维有限元分析．岩土力学。

2004 ,25（4）：538～543
[2] 赵海燕，黄金枝．深基坑支护结构变形的三维有限元分析与模拟．上海交通大学学报。

2001 ,35(4)：610～613
Finite Element Analysis of deep Foundation Pit Based On
ADINA
Zhang Li，Zhang Ningning
College of Civil and Architectural Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning
(123000)
Abstract
Due to the complex of the site , excavation process of finite element simulation is a complex process, This paper take finite element software ADINA for excavation simulation analysis. By adjusting the parameters of the examples and 2D simulation analysis shows it is feasible to use the program.. Keywords：deep foundation pit，finite element， ADINA
作者简介：
张力，男，1978年生，硕士研究生，研究方向是混凝土结构；
张宁宁，男，1982年生，硕士研究生，研究方向是空间结构，钢结构。