有限元方法在基坑工程中的应用
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围护结构：可以采用实体单元或板单元进行模拟，采用实体单元模拟 时，需要对围护结构网格进行细化以得到较为精确的结果。 支撑结构：平面分析中，一般采用弹簧单元进行模拟，三维分析 中，需要考虑主梁、次梁及楼板等复杂结构，主、次梁一般采用梁 单元进行模拟，楼板采用板单元进行模拟
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初始地应力
对于基坑工程的有限元分析，初始地应力场至关重要。 对于地面存在超载的基坑工程，初始地应力场不仅需要考虑 土体自重，还需要考虑超载的作用
模型边界
无限元法：模型边界采用无限元进行模 拟，可以减小模型规模。由于无限单元 节点编号需要按顺序排列，建模过程中 需要人工对单元节点进行调整，因此很 难应用于大规模的三维模型。
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基坑工程有限元模型
土体：通常采用实体单元进行模拟，根据计算精度要求，单元 模型边界 可以选择一阶或高阶单元。根据计算需要，选择适当的土体本 构模型，采用总应力分析或有效应力分析。
对于海底土体，计算 初始地应力场及初始 孔压时均需要考虑土 体上部海水作用
初始有效地应力
初始孔压
7
基坑围护结构与土体的接触算法
基坑工程中，连续墙与土体存在相互作用： （1）围护结构与周围的土体在材料模量上差异很大 （2）在一定的受力条件下围护结构与土体之间可能发生相对 滑移
有必要考虑连续墙与土体的界面接触问题
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有限元软件
有限元软件 FLAC ANASYS ADINA Marc ABAQUS 前处理 需要用户编 写模型程序 建模方便 建模方便 建模方便 建模方便 计算分析 采用有限差分法，计算锚固 问题功能强 非线性计算能力差 非线性计算能力强，计算混 凝土问题、接触问题能力强 非线性计算能力强，计算土 水功能强 兼具Marc和ADINA的优点 土体本构模型 常用土体本构 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体本构很少 常用土体本构 常用土体本构 常用土体本构
Wall depth (m)
连续墙与土体 的接触面对围 护结构的变形 和内力、坑外 土体的沉降、 沉降影响范围 以及坑底土体 的回弹会产生 显著的影响。
Lateral disp. of wall (mm)
Distnce from the wall (m)
有无接触面基坑变形对比
9
施工过程的模拟
有限元分析过程中，采用了单元“生死”功能来模拟土体开挖和支护 施工。 所谓“杀死”单元，就是将该单元的刚度和质量都乘以一个很小的 数，相当于该单元不再能发挥作用。而“激活”单元，就是让已经 “杀死”的单元恢复到它原先的刚度和质量，这时候的单元既没有初 始应变，也没有初始应力。
ABAQUS适用于基坑工程的有限元分析 不推荐ANASYS
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基坑工程的有限元分析
复杂大型基坑工程的三维有限元建模 初始地应力场 基坑围护结构与土体的接触算法 施工过程的模拟
4
基坑工程模型边界条件
位移约束边界：模型的边界一般施加位 移约束条件，当基坑边缘到模型边界的 距离较小时，所施加的边界条件必将对 基坑的变形产生影响。Peck, Lin等和 Roboski等认为基坑边缘至模型边界取 3‾5倍的开挖深度，边界条件对基坑的 影响可以忽略。
杀死土体单元 激活结构单元
10
Thank you！
11
有限元方法在基坑工程中的应用
王建华 教授
土木工程系 上海交通大学
前言
现行的国家规范建筑基坑支护技术规程和上海市基坑工程 设计规程均采用板式支护体系的弹性地基梁方法，不能考 虑土与结构的共同作用，只能分析支护结构的内力和变形 ，无法评价基坑开挖对周边环境的影响。 有限元方法是模拟基坑开挖问题的有效方法，它能考虑复 杂的因素如土层的分层情况和土的性质、支撑系统分布及 其性质、土层开挖和支护结构支设的施工过程等。 经过三十多年的发展，有限元在基坑工程中的应用取得了 长足的进步，出现了EXCAV、PLAXIS、ADINA、CRISP、 FLAC2D/3D、ABAQUS等适合于基坑开挖分析的岩土工 程专业软件 。
ABAQUS使用单纯的主－从接触 算法，即从面上的节点不能侵 入主面的任何部分，而主面可 以在从面的节点之间侵入从 面。 刚度较大的围护结构的接触面 设为主面，刚度较小的土体接 触面设为从面。
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接触面对计算结果的影响
Distance from the wall (m) 28 200 24 20 16 12 8 4 0 0 10 (b) Distance from the wall (m) 20 30 40 50 60 70 80 40 30 20 10 0 -10 30 (a) 20 10 0 -10 -20 wall without interfaces with interfaces (d) 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 -30 -40 -50 -60 -70 -80 80 Vertical disp. of ground (mm) Horizental disp. of ground (mm) 180 160 Centerline heave (mm) 140 120 100 80 60 40 20 0 0 4 struts 8 12 16 20 24 28 32 (c) 36 40 80 70 60
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初始地应力
对于基坑工程的有限元分析，初始地应力场至关重要。 对于地面存在超载的基坑工程，初始地应力场不仅需要考虑 土体自重，还需要考虑超载的作用
模型边界
无限元法：模型边界采用无限元进行模 拟，可以减小模型规模。由于无限单元 节点编号需要按顺序排列，建模过程中 需要人工对单元节点进行调整，因此很 难应用于大规模的三维模型。
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基坑工程有限元模型
土体：通常采用实体单元进行模拟，根据计算精度要求，单元 模型边界 可以选择一阶或高阶单元。根据计算需要，选择适当的土体本 构模型，采用总应力分析或有效应力分析。
对于海底土体，计算 初始地应力场及初始 孔压时均需要考虑土 体上部海水作用
初始有效地应力
初始孔压
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基坑围护结构与土体的接触算法
基坑工程中，连续墙与土体存在相互作用： （1）围护结构与周围的土体在材料模量上差异很大 （2）在一定的受力条件下围护结构与土体之间可能发生相对 滑移
有必要考虑连续墙与土体的界面接触问题
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有限元软件
有限元软件 FLAC ANASYS ADINA Marc ABAQUS 前处理 需要用户编 写模型程序 建模方便 建模方便 建模方便 建模方便 计算分析 采用有限差分法，计算锚固 问题功能强 非线性计算能力差 非线性计算能力强，计算混 凝土问题、接触问题能力强 非线性计算能力强，计算土 水功能强 兼具Marc和ADINA的优点 土体本构模型 常用土体本构 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体本构很少 常用土体本构 常用土体本构 常用土体本构
Wall depth (m)
连续墙与土体 的接触面对围 护结构的变形 和内力、坑外 土体的沉降、 沉降影响范围 以及坑底土体 的回弹会产生 显著的影响。
Lateral disp. of wall (mm)
Distnce from the wall (m)
有无接触面基坑变形对比
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施工过程的模拟
有限元分析过程中，采用了单元“生死”功能来模拟土体开挖和支护 施工。 所谓“杀死”单元，就是将该单元的刚度和质量都乘以一个很小的 数，相当于该单元不再能发挥作用。而“激活”单元，就是让已经 “杀死”的单元恢复到它原先的刚度和质量，这时候的单元既没有初 始应变，也没有初始应力。
ABAQUS适用于基坑工程的有限元分析 不推荐ANASYS
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基坑工程的有限元分析
复杂大型基坑工程的三维有限元建模 初始地应力场 基坑围护结构与土体的接触算法 施工过程的模拟
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基坑工程模型边界条件
位移约束边界：模型的边界一般施加位 移约束条件，当基坑边缘到模型边界的 距离较小时，所施加的边界条件必将对 基坑的变形产生影响。Peck, Lin等和 Roboski等认为基坑边缘至模型边界取 3‾5倍的开挖深度，边界条件对基坑的 影响可以忽略。
杀死土体单元 激活结构单元
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Thank you！
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有限元方法在基坑工程中的应用
王建华 教授
土木工程系 上海交通大学
前言
现行的国家规范建筑基坑支护技术规程和上海市基坑工程 设计规程均采用板式支护体系的弹性地基梁方法，不能考 虑土与结构的共同作用，只能分析支护结构的内力和变形 ，无法评价基坑开挖对周边环境的影响。 有限元方法是模拟基坑开挖问题的有效方法，它能考虑复 杂的因素如土层的分层情况和土的性质、支撑系统分布及 其性质、土层开挖和支护结构支设的施工过程等。 经过三十多年的发展，有限元在基坑工程中的应用取得了 长足的进步，出现了EXCAV、PLAXIS、ADINA、CRISP、 FLAC2D/3D、ABAQUS等适合于基坑开挖分析的岩土工 程专业软件 。
ABAQUS使用单纯的主－从接触 算法，即从面上的节点不能侵 入主面的任何部分，而主面可 以在从面的节点之间侵入从 面。 刚度较大的围护结构的接触面 设为主面，刚度较小的土体接 触面设为从面。
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接触面对计算结果的影响
Distance from the wall (m) 28 200 24 20 16 12 8 4 0 0 10 (b) Distance from the wall (m) 20 30 40 50 60 70 80 40 30 20 10 0 -10 30 (a) 20 10 0 -10 -20 wall without interfaces with interfaces (d) 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 -30 -40 -50 -60 -70 -80 80 Vertical disp. of ground (mm) Horizental disp. of ground (mm) 180 160 Centerline heave (mm) 140 120 100 80 60 40 20 0 0 4 struts 8 12 16 20 24 28 32 (c) 36 40 80 70 60