摘要：ABAQUS有著強大的巖土本構(gòu)，非常適合于巖土工程研究，可以考慮固結(jié)、滲流、穩(wěn)定、開挖、填方、（溫度、應(yīng)力、滲流等）耦合、地震分析等眾多問題。對于超深基坑復(fù)雜應(yīng)力及地下水模擬有著較好的優(yōu)勢，是一種比較成熟的有限元分析軟件。
　　關(guān)鍵字:有限元分析；超深基坑；ABAQUS
　　一、論文引言
　　ABAQUS是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，解決從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。擁有各種類型的材料模型庫，有著強大的巖土本構(gòu)，非常適合于巖土工程研究。
　　本方案有限元模型來源為上海某地鐵科研監(jiān)測的軌道交通0號線路某車站。
　　車站為地下三層島式車站，車站主體為雙柱三跨結(jié)構(gòu)。車站結(jié)構(gòu)長157.2m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.8m。車站地下連續(xù)墻厚1000mm，墻深52m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度約24.3m，端頭井基坑開挖深度約26m。
　　二、有限元模擬內(nèi)容
　　1、基坑開挖變形及土體位移場
　　基坑開挖會使得圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，圍護結(jié)構(gòu)的變形就會帶動墻后土體位移的變化。而圍護結(jié)構(gòu)的位移主要受到以下一些因素的影響。
　　1支撐剛度與墻體剛度
　　根據(jù)不同墻體厚度下地下連續(xù)墻在最后施工工況下的位移可知，當(dāng)圍護墻厚度從0.6m增加到1.0m時，圍護墻的水平位移明顯減小，可見適當(dāng)增加墻體厚度可以有效減小墻體的水平位移，但當(dāng)墻厚增加到一定程度時，再通過增加墻體厚度來減小位移作用不大。同理，當(dāng)支撐剛度過度增大，其效果也逐漸減弱，本方案也將著重找到針對超深基坑支撐與墻體剛度之間的最優(yōu)化方案。擬采用二維有限元模擬。
　　2圍護結(jié)構(gòu)插入深度
　　在上海這樣的軟土地區(qū)的一般基坑，插入比一般都會達到0.8左右，但是對于超深基坑，墻體插入比如果仍然采用0.8這樣的標(biāo)準(zhǔn)是不合理也是不經(jīng)濟的。因此研究超深基坑的合理插入深度是十分必要的。模型將主要采用二維模型進行插入深度的模擬。
　　3開挖、支撐工況
　　劉建航院士為首的課題組從國內(nèi)軟土地區(qū)，特別是上海地區(qū)近十年來在深基坑的施工實踐和試驗研究成果中認識到：在深基坑開挖及支撐過程中，開挖面無支撐暴露時間、開挖速度、開挖順序等時間因素以及基坑每步開挖土方的大小、深度等空間因素對基坑支護結(jié)構(gòu)及周圍土體的變形有一定的相關(guān)性，明確地提出了時空效應(yīng)的概念[1]。
　　在上海十多年來的一般深基坑實踐當(dāng)中，已經(jīng)積累很多開挖、支撐工況對于圍護結(jié)構(gòu)變形所產(chǎn)生影響的經(jīng)驗，所以在此次模擬中將只把開挖深度超過20m以上深度的基坑做為研究對象。
　　4施工工法對比（逆作法和順作法）
　　在已有的地鐵車站的施工建設(shè)中，順作法是常用的施工方法，具有施工作業(yè)面多、工程造價低等特點。一般深度的基坑在條件允許的情況下都會優(yōu)先采用順作法。但在市中心深度超過20m的基坑，由于基坑安全性和環(huán)境保護的要求更多的采用了逆作法施工。但逆作法施工代價高，工期長。由于上海地區(qū)軟土呈現(xiàn)出明顯的流變特性，所以在較長的工期內(nèi)內(nèi)墻體位移仍然會緩慢的增大。在4號線董家渡修復(fù)工程中，雖然挖土深度接近40m，但是墻體變形并不比一般逆作法基坑大[2]。這就使得我們考慮對于超深基坑，如果采用的鋼支撐剛度更大（如采用雙拼），預(yù)應(yīng)力均按要求施加，是否也可以使得圍護結(jié)構(gòu)的變形控制在一個較小的范圍內(nèi)。使得工期、經(jīng)濟性、環(huán)境保護達到最優(yōu)化。
　　所以本次模型中將著重模擬當(dāng)基坑深度達到20m以上時，采用不同工法對變形控制的能力。將以二維模型計算為主要研究手段。
　　2、坑底、立柱隆起與承壓水模型
　　基坑開挖的過程是基坑開挖面上土體卸荷的過程，由于卸荷引起基坑坑底土體產(chǎn)生以向上為主的位移。當(dāng)開挖深度不大時，坑底土體在卸荷后發(fā)生垂直的彈性隆起，其特征是坑底中部隆起最高，而且坑底隆起在開挖停止后很快停止，這種坑底隆起基本上不會引起圍護墻外側(cè)土體向坑內(nèi)移動。隨著開挖深度的增加，基坑內(nèi)外的土面高差不斷增大，就會使圍護墻外側(cè)土體產(chǎn)生向坑內(nèi)的移動，使坑底土體產(chǎn)生向上的塑性隆起，其特點是兩邊大中間小，同時在基坑周圍產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，并引起地面沉降。
　　基坑內(nèi)土方開挖的直接作用引起開挖面以下土層的隆起變形，坑底隆起引起立柱樁的上浮。樁的上抬也促使樁端土體應(yīng)力釋放，樁端土體也產(chǎn)生隆起，樁也隨之上抬，但上部結(jié)構(gòu)的不斷加荷以及變異性較大的施工荷載會引起立柱的沉降，可見立柱豎向位移的機理比較復(fù)雜。在這一復(fù)雜機理的背后是立柱與土體的之間變形協(xié)調(diào)的問題，也即有限元模擬中的接觸單元設(shè)定問題。由此模擬的重點將會對立柱樁與土之間接觸單元的調(diào)整。
　　同時由于坑底承壓水頭的作用，立柱也會發(fā)生較大的隆起變形。所以在結(jié)合對坑底和立柱隆起的研究中，加入對承壓水頭的模擬。通過軟件對不同土層水頭的設(shè)定，來分析在不同承壓水頭下坑底和立柱隆起的情況及其對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響。
　　一般地鐵基坑寬度較窄，而長度很大。所以在寬度方向上的坑底隆起效應(yīng)相較于縱向方向要弱。同時立柱的隆起也呈現(xiàn)出中間大兩頭小的空間效應(yīng)。所以在本研究內(nèi)容中，二維和三維的有限元模擬將交叉進行。
　　三、有限元模擬結(jié)果比對研究
　　對有限元模擬的結(jié)果將采用兩種方式的研究方式：自身規(guī)律性的研究和與通過其他途徑得到的結(jié)果的對比研究。自身規(guī)律性的研究具體內(nèi)容如上節(jié)中所述。與其他結(jié)果的對比研究包括：
　　1、與實測的對比。結(jié)合車站基坑進行的現(xiàn)場實驗監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比研究，耗時較長。
　　2、與經(jīng)驗公式的對比。在上海近十幾年的地下工程大規(guī)模建設(shè)中，積累相當(dāng)多的經(jīng)驗，特別是對于一般的深基坑的相關(guān)經(jīng)驗。有限元模型的計算結(jié)果將與這些已有的經(jīng)驗進行比較分析。
　　參考文獻
　　1、劉愛華;黎鴻;羅榮武.時空效應(yīng)理論在軟土深基坑施工中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報,2010,3
　　2、江曉峰;劉國彬;張偉立;李翔宇.基于實測數(shù)據(jù)的上海地區(qū)超深基坑變形特性研究[J].巖土工程學(xué)報,2010,S2