技术与应用Technology and Application基于ABAQUS在基坑降水的渗流-应力耦合分析中的应用Application of ABAQUS in Seepage - Stress Coupling Analysis of Foundation Pit Dewatering罗景崭1，熊建刚2LUO Jing-zhan1, XIONG Jian-gang2（1.中咨华科交通建设技术有限公司；2.中铁二院（广东）港航勘察设计有限责任公司）( 1.Zhong Zi Hua Ke Traffic Coustruction Technology Co.,Ltd.;2.Creec(Guangdong) Harbor Survey Anddesign Co.,Ltd. )【摘要】基坑降水过程中，根据有效应力原理，对饱和土体，总应力不变，随着孔隙水压力的减小，导致有效应力增大，作用在土骨架上的应力变大，因此基坑降水就会引起周围土体的沉降。ABAQUS软件通过模拟降水过程中的孔隙水压力的变化，对降水过程中的基坑土体中的应力、应变以及水平位移的变化进行分析，得出基坑周边及基坑底板处土体的沉降变化情况和实际情况基本一致。【Abstract】 During dewatering of foundation pit, according to the principle of effective stress for saturated soils, the total stress is constant, with the decrease of the pore water pressure, lead to increase of effective stress effect on the soil skeleton stress become larger, so the settlement of surrounding soils of foundation pit precipitation will cause ABAQUS software by simulating the change of pore water pressure in the process of precipitation, the precipitation in the process of stress and strain and the change of the horizontal displacement of foundation pit soil were analyzed, and the results show that the settlement of the soil around the foundation pit and the foundation pit floor is consistent with the actual situation.【关键词】基坑降水；流固耦合；有限元分析 【Keywords】 foundation pit dewatering; fluid-solid coupling; finite element analysis1 前言要求较高，尤其在富含地下水的土2 工程概况随着城市建设的加快，城市的体中，基坑降水对周围环境影响更拟建工程地下共3层，基坑开土地资源愈发紧张，为了增加城市大。本文结合某基坑降水实例，对挖形状为正方形，其主要几何尺寸建设的空间，工程建设中修建较多其降水过程中的应力-渗流耦合采为，周长约400m，基坑底板标高的地下工程，尤其是深基坑。受周用有限元软件ABAQUS进行模拟分-7.0m，开挖深度15m左右。场地边环境影响，基坑开挖过程中，对析，并和监测结果进行对比，用于现状为平地，比周边地面低约1m；基坑土体的稳定性和周边位移控制指导施工。根据该项目的地质勘察报告，场地106 智能建筑与智慧城市2019-5期.indd 1062019/5/20 13:12:55◎智慧施工◎主要地层为杂填土、粉质黏土、粉土。表达为：其中，粉土层为主要含水层，场地稳定水位埋深为5m，而基坑开挖15米左右，因此需要降水，降水方案为深井井点降水。场地西侧、北侧为现状市政道路，南侧为现状荒地，东侧为居民楼，基坑红线离居民楼最近距离为15m。由于离市政道路和居民楼较近，基坑开挖和降水过程中，会对其产生较大影响，因此必须采取合理的支护和降水方案，减小周围土体沉降，确保周围建筑物和道路的安全，同时合理布置监测点，对其进行位移监测。3 ABAQUS中的渗流-应力耦合问题求解方法本文中选用的有限元计算程序ABAQUS，是由美国HKS公司开发的。在北美、欧洲、亚洲许多国家，ABAQUS在机械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、汽车和电气工业设计中应用比较普遍。ABAQUS功能非常强大，可以解决相对简单的线性分析，以及非常复杂的非线性问题。ABAQUS材料模型库比较齐全，可以模拟大多数常用工程材料的性能，包括金属、高分子材料、橡胶、复合材料、混凝土、以及类各种岩体、土体材料等。包括扩展的Druker-Prager模型、Mohr-Coulomb模型，CappedDrucker-Prager模型，Cam-Clay模型以及用户根据实际工作需要自定义的多种材料模型。渗流应力耦合分析的数学表达式为：利用Galerkin有限元格式，可得出两个渗流方程，用矩阵形式智能建筑与智慧城市2019-5期.indd 107再对上式进行线性化，方程转换为：平衡方程：式中，[]代表节点位移引发的耦合控制方程可以写为如下形式：体积增量或减量；{ }代表位移增量；{ }是{ }对时间求导后的结果；[ ]对应渗透矩阵；{ }对其中：应孔隙水压力；{}对应节点流量；[K]代表一般性的刚度矩阵；[L]代表单元节点处对应于该压力的节点4 基坑降水的有限元模型与力；{ }对应其增量；{F}代表节点参数外荷载；{I}代表迭代增量时上个计4.1 几何模型的建立算步骤的不平衡力。该工程的几何模型如图1（以AA对耦合方程求解，首先借助时间剖面为例），其主要几何尺寸为，全积分获得如下差分方程：长400m，高30m，其中基坑长100m，基坑两侧沉降影响区域定为150m，支护结构地下连续墙为25m，降水井式中，0≤ ≤1，为了使数值稳定可的降深为20m。靠，将ξ=1，采用后向差分法，方基坑分析区域如图1中红线框内程转变为：区域，划分网格后的有限元模型如图2所示。由于基坑内的分析相对重要，在划分网格式，此区域的网格相对较于是，在t+Δt时刻的渗流方程密集。为：4.2 边界条件的设置图1 基坑几何模型示意图 图2 基坑几何模型（网格） 1072019/5/20 13:12:56 技术与应用Technology and Application本次模拟分析所设置的边界条件具体如下。位移边界条件为，限制模型的位移，即其两侧的水平位移和底部的竖向位移均固定为0，如图3所示。孔压边界条件为，模型的上表面孔隙压力设置为0。如图4所示。界面接触条件为，土体和地下连续墙底面设置为固定约束，土体与地下连续墙的侧面设置为摩擦接触。如图5所示。应力边界条件为，对模拟土体加载重力并平衡，平衡后的竖向应力云图，如图6所示。图7 孔隙水压力云图图3 位移边界条件图4 孔压边界条件图5 界面接触条件图8 基坑土体竖向位移云图据勘察报告得来的，如表1所示。中孔隙水压力的模拟结果如图7所示。从图中可以看出，随着降水深度的增大，降水对基坑土体的图6 地应力平衡5 模拟结果分析5.1 降水对孔隙水压力的影响孔隙水压力的影响随之增大。其4.3 相关计算参数的选取本次模拟计算，基坑模型的降中，基坑底板处的孔隙水压力由降本次模拟采用的本构模型是修水过程按五个分析步进行，每个分水之前的3.0×105Pa左右降到了正剑桥模型，所用的土体参数是根析步时长为216 000s（2.5d），其1.8×105 Pa左右。通过分析得知，表1 基坑土体参数容重回弹曲线临界状态项目（kN/m3）初始孔隙比泊松比正常固结斜率INCL截距侧压力系数土体摩擦斜率γe0μ斜率λke1K0系数M数值18.70.8110.300.0970.0160.690.500.31.05注：土体的容重、泊松比、弹性模量，对于多层土， 根据各层土的厚度加权计算后得出的等效值。108 智能建筑与智慧城市2019-5期.indd 1082019/5/20 13:12:56上部土体孔隙水压力的减小，导致图9中所示为基坑周边土体土体有效应力增加，从而引起下部的沉降曲线图，从图中可以看出，土体中的孔隙水往上部流动，下部在基坑的边缘附近，由于有地下土体孔隙水压力变小。模拟计算的连续墙的作用，地表沉降受到了结果符合有效应力原理，且和现场一定程度的限制，说明地下连续实际情况基本一致。墙在对控制基坑周边沉降效果较5.2 降水所引发的地表沉降好。随着到基坑边缘的距离的增基坑及周边土体的竖向位移云加，土体沉降逐渐增大，在距基图见图8，从图上可以看出，从降坑边缘12m左右，沉降量达到最水开始，降水井周边就产生明显的大值（12cm）；随着距离进一步竖向位移，在降水前5天，由于地增加，降水的影响开始逐渐减小，下连续墙起到了隔水、挡水的作用，所产生的沉降也随之减小；这和基坑外侧的土体的竖向位移较小。降水过程中形成的降水漏斗基本在降水7天后，随着降水深度的不是一致的。断增大，降水的影响范围扩大，基坑外侧土体产生了由降水所引起的6 结语沉降。在第10天后，由于未在基运用ABAQUS对降水过程中的坑外侧井点采取回灌措施，导致外基坑土体的应力、应变以及水平侧土体产生的沉降较大，最大处约位移的变化孔隙水压力的情况进10cm。与此同时，降水第五天前后，行分析，得到的结果直观、可视基坑内侧土体均受降水影响产生了化效果好，且与实际情况基本一沉降。致，在工程前期设计过程中运用图9 基坑周边土体的沉降曲线图智能建筑与智慧城市2019-5期.indd 109◎智慧施工◎比较广泛。通过模拟分析，得出以下结论：1）降水对孔隙水压力的影响大，基坑底板处的孔隙水压力明显减低；2）工程降水引起的基坑周围土体的沉降的规律是，靠近基坑边缘，沉降最小，离开基坑边缘一定距离后，土体沉降变大，直至产生最大沉降，随着距离的进一步增大，沉降逐渐变小，和实际监测情况基本一致。上述结论可以指导地面沉降观测中观测点的布置，同时对地面沉降控制也有指导性作用。参考文献[1]秦会来,张甲峰,郭院成,等.ABAQUS在计算基坑开挖变形中的应用研究[J].岩土工程学报，2012, 34(s1):82-86.[2]平扬，白世伟，徐燕萍.深基坑工程渗流-应力耦合分析数值模拟研究[J].岩土力学，2001, 22(1):37-41.[3]许胜，缪俊发，魏建华,等.深基坑降水与地面沉降的三维黏弹性全耦合数值模拟[J].岩土工程学报，2008(s1):41-45. 1092019/5/20 13:12:56