數值模擬方法在基坑工程中的應用探討

□ 黃垚森

1 引言

隨著基礎建設的高速發展，近年來我國越來越重視交通事業，多數城市投入資金大興土木建造地鐵，對土木工程的技術要求越來越高。在施工過程中，基坑工程是重要的一環，要求更嚴苛，用傳統理論方法進行“紙上談兵”，已經不能滿足越來越復雜的地鐵深基坑工程。而基于計算機技術的數值模擬方法，能夠運用理論原理，輔以強大的計算能力，可以有效評價和預測基坑工程、抗震、結構動力、混凝土結構壽命等特性，達到一定程度上的精細逼真，大大推動了土木工程，特別是巖土力學的發展，成為目前土木工程科研和施工不可或缺的一種方法。筆者通過現有的文獻和實際操作，對數值模擬的原理和方法做綜述，并介紹最新的數值模擬軟件及應用場景，為今后的基坑工程實際施工提供參考。

2 數值技術在巖土工程中的方法綜述

巖土因其復雜的彈性、塑性、各向異性等特征，顯示出比其他材料更復雜的力學表現和耦合效應，普通的物理計算已不能滿足工程的各種性狀研究，在實際工程中如果不能進行有效分析，則會導致地基沉降、基坑坍塌等事故發生。因此，基于計算機技術和彈塑性力學理論結合的數值分析方法的引入十分必要，當前巖土力學的數值方法主要為有限元法、邊界元法、有限差分法、離散單元法[1]。

2.1 有限元法

將復雜的結構看成有限個僅在節點聯結的整體，由點到體、單元到整體的預測，依據虛位移原理、最小勢能原理等，通過分析小單元特性，集成總體特性，最終按相應方程求解需要的未知量，在土木工程中最常見的有限元軟件如ANSYS，用以分析幾何形狀不規則、受力復雜的非勻質結構的各種特性。

2.2 邊界元法

不同于有限元法的整體結構離散化，邊界元法只需在邊界上進行分解離散，建立邊界上的方程，直接或間接求得邊界單元的特性，再利用開爾文互等定理求解內部點的特性，是一種處理速度快、占內存小的數值方法，最常見的邊界元軟件如BEASY，可以模擬土木工程中的管道施工特性研究。

2.3 有限差分法

把實際的物理過程在時間和空間上離散，分成均勻的有限差分量，用“躍階”處理，將區域內的各種特性用差分公式表示，進而將微分方程的問題變成求解代數方程方程的問題，可以處理一些復雜的過程，最常見的土木工程差分軟件是FLAC 3D，用來求解巖土體的各種力學特性[2]。

2.4 離散單元法

將模型劃分成剛性單元，根據力和位移的關系求出單元之間相互作用力，根據牛頓第二運動定律確定單元的運動特性，結合CAD成像技術反應巖土體的力場、位移場等參數的變化，土木工程常用的軟件是UDEC可以模擬非連續介質承受靜載或動載下的響應，分析邊坡、基坑等的穩定性。

2.5 納米力學法

以上宏觀和細觀尺度方法雖然可行，但一大局限在于模擬中預先設置了較理想的假設，比如有限元要求土體均質化假設，離散單元假設土顆粒是剛性粒子，這些假設使得數值分析存在一定制約。而納米尺度的模擬從土體最小的成分如蒙脫土晶體、高嶺土晶體、石英晶體等單元結構入手，這些晶體由幾十到幾千個原子組成，大小只有幾納米，微觀尺度觀測從土體最本質結構出發，研究其中的力學響應，從而探索宏觀施工上的可行性。納米力學法研究原子間的物理化學性質，摒棄了其他模擬的假設，從科學層面上更讓人信服，是如今高端工程和科學研究推行的一種新興手法[3]。

3 數值模擬在基坑施工中的應用

數值方法的價值體現在實際的落地應用，筆者針對基坑的開挖、支護和監測三大場景，介紹ANSYS、FLAC 3D等軟件的應用，為今后基坑工程施工提供新的思路和參考意見。

3.1 基坑開挖的數值模擬應用

基坑在明挖和蓋挖，甚至淺埋暗挖、新奧法施工過程中，最注重的是開挖過程中土體的力學和位移變化，一旦出現力學異常，土體失穩崩塌將造成不可預估的后果。數值模擬軟件可以模擬出各種力學參數，有效預測土體變化，基于有限元法的ANSYS軟件在基坑開挖過程中應用最多，其中“Element Birth And Death”模塊，可以建立噴錨支護開挖的深基坑模型，樁錨支護開挖的深基坑模型，放坡無支護開挖的深基坑模型，并模擬三種開挖形式下的分部開挖過程，對模擬結果進行分析，得出深基坑在分布開挖過程中的變形規律。比如在空間上和時間上的變形規律，并且顯示出塑性區域，能幫助施工人員在選擇正確的時間和位置進行開挖，防治塑性變形，避免不必要損失[4]。

因為地下水的參與，軟土的固—流耦合效應也不容忽視，利用MIDAS有限元軟件，可以模擬軟體軟體深基坑降水開挖場景，解析降水對深基坑隆起的決定性影響，技術人員可選擇最佳降水數據，處理基坑隆起問題，還可以研究滲流對基坑的影響[5]。

3.2 基坑圍護的數值模擬應用

基坑圍護應當視為一項長期計劃，不僅要滿足強度需求，還要在一定時間內保持穩定性，因此涉及巖土力各個方面，基于以上要求，MidasGTS數值模擬軟件，可以模擬地下連續墻等圍護結構場景，并輔以深基坑F-SPW軟件，用時程分析法對車站建立模型分析，校驗圍護效果[6]。

另外，RSEAP是二維幾何和材料非線性分析軟件，能夠模擬巖土的錨索加固效果，構筑支護過程，進行不同工況的變形分析[7]；FLAC 3D能夠輸入特殊命令流，模擬梁、錨索、樁及板殼四種單元，還能模擬任意形狀，任意特性的結構體與巖土體的相互作用，結構體和巖土體的力學反應；Rockfall是研究巖石崩塌的軟件，可以模擬主動網、被動網支撐和圍護樁在基坑邊坡上的應用[8]。

3.3 基坑監測的數值模擬應用

監測是體現基坑的施工效果的校驗，后期要對基坑的穩定性、圍護結構的強度剛度進行長期持續的監測，運用ANSYS進行不同工況下的支撐模擬，得出如支撐的支撐彎矩和軸力，得到基坑周圍土體水平位移的變化規律，最終達到預測的效果[9]。對于樁錨支護，則可以利用ABAQUS的Mohr-Coulomb以及Drucker-Prager模型，輸入土體性質、邊界及荷載的命令流，進行三維有限元數值模擬，并同現場監測到的成果和理論計算的結果進行對比分析，共同驗證樁錨支護設計方案的可行性和持續性[10]。

NIDA是基于建筑結構和巖土材料的動力特性，可以模擬土木結構抵抗不同靜、動荷載能力，并由中國團隊帶頭研發的結構動力學軟件，其不僅考慮了巖土自身的材料性質，還通過輸入建筑的振動、風雨等內外荷載作用，進行多種條件耦合影響下的基坑承受能力模擬，進行多因素作用的基坑實時監測和有效告警。

3.4 基坑力學性的數值模擬應用

當今我國基建的快速發展，高層建筑和大型路橋越建越多，從而對基坑的開挖、維護要求也更大，但由于團隊技術開發和研究上遇到的瓶頸，給工程施工帶來了許多困難，使得近年來基坑變形塌陷等事故時有發生，亟待一些前沿的科學方法，為工程應用提供新的可能性。在數值模擬方面，納米尺度研究法作為新興模擬方法，給予了工程一定指導，如在Materials Studio軟件中，模擬了黏土晶體里插入聚合物進行作用，發現聚合物的注入能快速填補土體裂縫，并通過增強分子間作用力從而提高了土體的力學性能。這一現象預測了聚氨酯等聚合物作為基坑的修補材料具有很高的可行性，是“工程醫院”修建基礎結構的有效措施；用Lammps等開源軟件實現了蒙脫土、高嶺土和伊利土等成分在不同外部條件下的水—土耦合作用[11]，很好地觀測土體遇水漲縮作用，并判斷土體受力的最佳條件，為基坑排水、基坑受力等施工和研究上帶來很多實用建議。

4 結語

數值模擬的引入，使土木工程的科研和施工變得更便利、更有效，但因為數值模擬的適用是建立在嚴格的假設以及理想的環境等前提下，這些局限性使其并不能完全精確地還原現實情況[12]，與工程實際相比較，難免在準確度上存在一定出入，所以技術人員在真正執行時，并不能完全依賴于計算機的模擬結果，而要以現場勘察為主，數值模擬初步預測為輔，只有理論結合實際，才能全面且高效地進行項目建設，確保工程完美竣工。