运用ANSYS模拟多撑式深基坑开挖的研究王一鸣张小平（南京航空航天大学土木工程学院，江苏南京，210016）摘要：以竖向弹性地基梁理论为基础，以ANSYS为平台，采用APDL语言建立了多撑式深基坑开挖的计算模型。
将其应用于上海丽晶苑大厦基坑支护结构的计算，取得了满意的结果。
同时以此工程为原型，对该模型的主要影响因素进行了分析,提出要对墙背土压力进行修正，以进一步完善该模型。
关键词：弹性地基梁ANSYS深基坑土压力中国分类号：TU398 文献标识码：A 文章编号：The research of the application of ANSYS in emulation of the excavation of deep foundation pits with multiple bracesWang Yiming Zhang Xiaopin(School of Civil Engineering, Nan Jing University of Aeronautics and Astronautics, 210016, China ) Abstract:With the theory of beams on elastic foundation for foundation, using ANSYS system, an approach of using finite element method for simulation the behavior of deep excavation pit with multiple knightheads is presented in this paper. This technique is applied to design the deep excavation work of the LiJingyuan mansion of Shanghai, and the perfect reliability and the high efficiency are proved by the design results. What’s more ,through the analysis of this work , the factors that have important influence to the calculation results are studied, and Put forward that the earth pressure behind the pile should be modified to perfect that model. Key words:beams on elastic foundation,ANSYS, deep foundation pit, Earth pressure前言对于多撑式地下连续墙的内力计算分析，在计算机普及之前，以日本工程界提出的“山肩邦男法”、“弹性法”、“弹塑性法”等解析法为主。
这类计算方法的优点是力学模型简单，仅用静力平衡法就能求解其内力，可以手算，便于工程界的应用。
但由于这类方法不能计算开挖时支撑轴力和挡墙内力的变化，若将此类方法应用于支撑道数较多的挡墙结构时所得的结果明显偏大，且支撑道数越多，内力值越大，因此这类方法仅能用于1~2道支撑的挡土结构。
随着计算机的普及，有限元法在基坑工程围护结构分析中得到广泛的应用。
基坑围护结构有限元法，可分为平面有限元和空间有限元两大类。
平面有限元法中主要是杆系有限元法，其中应用最为普遍的是以竖向弹性地基梁法为代表的平面线性有限元法。
目前已开发出多种国内外知名软件可进行基坑围护结构的有限元计算，如“围护之星 SUPPORT”、“SAP”、“理正”、“超明星” [1]等。
本文采用大型通用有限元程序ANSYS进行基坑开挖的模拟，为围护结构的分析提供另外一种方法。
1 竖向弹性地基梁法概述——————————————————————————作者介绍：王一鸣（1981—），男，硕士研究生。
将挡土墙入土深度范围内墙前土体假想为连续的土弹簧，认为作用在挡墙背侧的土压力为朗肯主动土压力，常由朗肯土压力理论求得，且开挖面以上为三角形分布，开挖面以下为矩形分布。
地面以上（基底以上）挡土结构为梁单元，基底以下部分为弹性地基梁单元，支撑或锚杆为弹性支承单元。
与一般的有限元分析方法一样，杆系有限元法也要经历一个结构离散、形成单元刚度矩阵、单元刚度矩阵集成总体刚度矩阵、利用平衡方程求得节点位移的这样一个过程。
内力分析时，需计入施工个阶段、各支撑安装前后预加轴力的影响，这些影响可通过对杆系的边界条件修正加以解决。
2 ANSYS对基坑开挖过程的模拟在ANSYS建模时，挡土墙采用BEAM3单元，一般每隔1~2m划分为一个单元，为了计算简便，挡土结构的截面、荷载突变处、弹性地基基床系数变化段及支撑或锚杆的作用点处，均作结点处理。
支撑采用杆单元LINK1，考虑到实际工程中支撑往往采用对撑的形式，此处支撑计算长度取总支撑的一半。
弹性地基用弹簧单元COMBIN14模拟，其刚度系数可按下式取值：K Z = mzBL。
其中，m为地基系数随深度变化的比例系数；z为单元的中点距基坑开挖面的距离；B为梁的计算宽度；L为单元长度（图一）。
在深基坑工程施工的每一个阶段，结构体系的变形和内力与外荷载都在变化，在某一层支撑架设之前，该点处挡土结构已产生了很大的变形，而支撑架设后该点的变形量是很小的，即挡土结构的位移多在支撑架设之前已经发生并影响挡土结构的内力。
所以在模拟开挖过程时，要考虑这种支撑架设前的变形[2]。
为此，在设置每层支撑的前后，都要分为不同工况，且必须将后一工况的分析建立于前一工况的基础之上，本文采用单元的“死活”来实现。
首先要建立全部的计算模型（包括所有的支撑和土弹簧），然后根据各工况的情况来“杀死”和“激活”单元。
所谓“杀死”单元，实际上是将该单元的刚度矩阵乘以一个很小的因子（10-6），这样的处理将大大减低其刚度，同时死单元的荷载、应变等也将设为0，相当于忽略了这部分单元的作用，较好的仿真了实际的开挖过程[3]。
图1 ANSYS建立模型及墙背土压力分布3 工程实例上海丽晶苑大厦，位于上海卢湾区。
基坑支护结构采用Φ1000mm，长27m钻孔灌注桩挡土，水泥搅拌桩止水。
设三道水平支撑，支撑宽1000mm，高800mm，基坑开挖12.65m。
桩入土深度14.55m。
结构计算按平面问题考虑，墙后土压力由朗肯土压力理论求得，且开挖面以上为三角形分布，开挖面以下为矩形分布。
基坑下坑内土体对墙体的抗力系数根据每层土的物理学性质，按“m”法确定。
首先将开挖过程分为七个工况，各工况及工况描述见图2。
工况1 工况2 工况3 第一道支撑架设前第一道支撑架设后第二道支撑架设前工况4 工况5 工况6 工况7 第三道支撑架设前第三道支撑架设后第二道支撑架设后开挖至基坑底图2 工况及工况描述在采用该模型进行模拟计算时，各种因素对计算结果会产生不同的影响，为对其中的主要因素进行分析，现分4种情况计算结构内力及变形，并进行比较。
（1）分步开挖，按前述步骤，考虑支撑设置前结构变形的影响，分别计算出每一步开挖工况的内力。
（2）不考虑分步开挖，支撑约束和荷载条件同上，以便比较计算结果。
但是一次性全部设置，一步计算出结果。
（3）采用分步开挖，但桩后土压力从始至终全部采用修正后的土压力保持不变，且基坑以下不近似为矩形分布。
（4）采用分步开挖，桩底支撑采用固支。
四种方法的计算结果分别见图3~6。
图3 情况1的桩身变形、弯矩和剪力图图4 情况2的桩身变形、弯矩和剪力图图5 情况3的桩身变形、弯矩和剪力图 图6 情况4的桩身变形、弯矩和剪力图表1 各种情况计算结果的比较 情况1 情况2 情况3 情况4桩身最大变形（mm ） 60.21 16.43 47.30 51.95桩身最大弯矩（kN m ） 918.43 88.91 936.90 1220桩身最大剪力（kN ） 434.88 28.79 436.96 496.88对计算结果进行分析比较（表1、图3~6）可得到以下结论：（1）第一种情况中考虑开挖过程的影响，支撑设置于变形之后，使支护桩的一部分应力得以释放，与情况2比较更接近于实际。
情况2不考虑开挖过程以最终开挖状态来计算，结果明显偏小，设计中不宜采用。
（2）通常认为作用在挡墙背侧的土压力为朗肯主动土压力，主动侧土压力在开挖面以下成矩形分布是考虑开挖面被动一侧若不考虑土体移动时，可以平衡主动侧的部分土压力。
但有资料显示[1]如果有超载的影响，除基坑上部及底部外，实测土压力基本上均大于朗肯主动土压力，甚至大于静止土压力。
所以对于大型超深基坑工程，采用主动土压力计算不合理而偏于危险。
另外，在基坑开挖过程中主动侧实测土压力变化并非很大，所以此处采用修正后的土压力，用情况3的方法对基坑开挖进行模拟。
最后结果表明这种方法比情况1的计算结果更为合理。
所以为使计算结果更贴近于实际，建议将支护结构背侧主动土压力加以修正。
具体修正方法可根据当地土压力实测资料的经验，在主动土压力和静止土压力之间按某一比例取值。
（3）由于本工程中围护结构埋置较深，情况4假设桩底端固支约束，进行试算。
结果变形与内力与实际情况均不太符合，所以将桩底端处理为固支约束是不合理的。
参考文献：[1] 赵锡宏，李蓓，杨国祥.大型超深基坑工程实践与理论.北京：人民交通出版社，2005.[2] 陈忠汉，黄书秩，程丽萍.深基坑工程.北京：机械工业出版社，2003.[3] 郑颖人，赵尚毅.用有限元强度折减法求边（滑）坡支挡结构的内力.岩石力学与工程学报，23（20）：3552~3558。