摘要：基坑开挖是基础和地下工程施工中的一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中典型的强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。本文以某一基坑工程为例，应用二维快速拉格朗日有限差分程序-FLAC2D建立有限元模型，对基坑开挖进行数值模拟计算，根据计算结果，对支护结构的变形特性进行分析。
1概述
对这些问题的认识及其对策的研究，是随着土力学理论、分析技术等各方面的进步而逐步完善的[1]。因此，加强基坑工程计算理论的研究，对基坑工程的科学发展具有指导意义。有限元分析方法已经广泛应用到深基坑工程当中，它不但可以模拟支护结构在工作状态下的内力，也可以进行比较精确的变形分析，更主要的是有限元法能模拟开挖过程，这是极限平衡分析法无法做到的。
2工程实例概况
该工程为邯郸市中心医院病房楼基坑，基坑开挖深度12.5m。根据该场地工程勘察结果，该工程场地地层结构较为简单。
本文取基坑南面的土钉墙支护方式作为研究对象。该段基坑开挖深度为12.5m，边坡坡度为1：0.3，土钉倾角为10°，土钉长度为9m～14m不等。土钉水平间距为1.4m，第一排土钉距离基坑顶0.8m，其余各层土钉垂直间距均为1.4m。面层为钢筋网喷射C20混凝土，土钉与面层连接牢，具体支护方案。
为简便起见，计算深度内的土层简化为三层，土的物理力学参数取各层土的加权平均值。各层土及土钉、面层具体参数。
3模型建立及模拟结果分析
3.1模型建立
计算模型利用基坑结构的对称性，取一列竖向土钉及其周围土体进行计算分析，计算范围为，基坑外取基坑开挖深度的约2.3倍，基坑底部往下取开挖深度的约2.6倍，基坑模型整体高为44.5m，整体宽为45m。计算深度范围内土体共分为三层，地表到基坑底部为第一层，基底往下15m为第二层，再往下17m为第三层。
土方分层开挖，每步开挖深度比该层土钉头标高低0.5m，基坑开挖与支护分九步进行。
本文选用理想弹塑性本构模型。模型中土的破坏准则采用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则描述。土钉采用FLAC软件中的锚索（Cable）单元进行模拟。喷射混凝土面层则采用梁（Beam）单元进行模拟。模型两边结点约束水平方向自由度，底部结点约束全部自由度，最终生成的有限元模型（施加了边界约束条件）如图3所示，同时，为简化计算作如下假设：（1）按平面应变考虑，利用对称性进行分析。（2）土体与土钉均为均匀、连续、各向同性弹塑性材料。（3）土钉以及混凝土面板处于线弹性受力状态，土体为弹塑性体，采用Drucker-Prager模型。（4）不考虑边角效应，单位间距上的土体、土钉及面板单元受力和位移情况均相同。（5）在基坑开挖前及整个开挖期间，不考虑地下水对支护结构的影响。
3.2计算过程及结果分析
（1）基坑在实际开挖前，土体在长期自重应力作用下已处于稳定状态，因此在模拟基坑开挖前对尚未开挖的土体进行自重力平衡计算，得到土体的初始应力状态；（2）初始化位移、速度、边界条件，并施加外荷载计算应力；（3）模拟基坑开挖，分9步，每步开挖后进行平衡计算，直至开挖结束。
开挖结束后，坡面结点水平位移云图。据此计算结果，绘制基坑壁结点水平方向位移与深度的关系，负值表示位移方向朝向基坑内侧，正值为基坑外侧。
可以看出：（1）随着开挖的进行，边坡的侧向约束被逐步解除而产生水平位移，且在同一深度处的水平位移随开挖的进行而逐步增加；（2）除第一步是开挖1.3m后施加第一层土钉外，其余各步都是开挖1.9m后施工土钉，卸荷量大致相等，因而位移变化曲线的形状也十分相似；（3）随着开挖深度的增加，位移增量逐步减小，这是因为随着开挖的进行，应力重新分布，土体逐渐平衡所致；（4）基坑水平位移总体上呈现基坑顶部和底部小，基坑中部大的形式，并且在中部偏下大约0.8倍基坑深度的（大约10m）处，坑壁水平位移达到最大值，约28mm。
结语
（1）为简化计算，对模型及土层参数进行了一些简化，这些简化是否合理尚需以后的工程实践检验。（2）本工程基坑南侧紧邻市区主要道路，车辆产生的动荷载对基坑壁水平位移的影响有待进一步研究。
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