土体弹性模量在基坑工程有限元计算中的应用研究

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摘要：指出了有限元计算分析在基坑工程中的运用已经较为普遍，但其弹性模量的取值却比较困难。通过已建弹性模量模型，结合天津地区的区域地质特征及基坑工程开挖荷的特点，利用有限元软件，对天津某深基坑进行了基坑开挖有限元计算分析，计算所得变形值与监测变形值进行了比对，吻合程度很好，取得了较好的效果。

关键词：弹性模量；基坑工程；有限元计算

中图分类号：TU431文献标识码：A文章编号：16749944（2014）10023703

1引言

目前国内基坑工程的设计多采用有限元的计算分析方法，根据大型的商业有限元软件，通过二维或是三维有限元模型的建立，进行相应的计算，对基坑稳定性分析及环境评价。计算中土体的常规参数可以通过土工试验很容易取得，而弹性模量的取得却受试验方法不同、试验周期漫长的影响而较为困难，许多情况下工程设计人员在无试验值的情况下，都根据已有工程计算经验给出经验值进行试算，这大大增加了计算结果的不可预知性。

对于有限元计算中弹性模量参数的取值，一些学者进行了相应的研究。姚爱国，汤凤林，Smith I M[1]通过对基坑桩锚支护常用设计方法的分析，根据某工程的弹塑性有限元模拟计算， 得出了影响支护结构位移的主要因素是土体的弹性模量而不是结构的弹性模量结论；莫时雄等人[2]以深圳某深基坑工程为研究对象， 借助加权残值法和弹塑性有限元分析软件， 计算该基坑在各工况下的变形，结果与实测值基本吻合。同时重点研究了土层参数变化对基坑开挖过程中水平位移和地表沉降的影响规律：土体的弹性模量、粘聚力、内摩擦角对基坑的水平位移和沉降影响较明显。吴子超、杨雪强[3]利用有限元分析法，合理选取不同土的弹性模量值，并且分析了对地基基础的影响；洪家宝等人[4]研究了土体参数取值对排桩位移程度的影响，土体弹性模量和泊松比对排桩位移影响较大， 在其他参数不变的情况下， 排桩位移随土体弹性模量增大而减小， 随土体泊松比的增大而增大。

本文结合区域地质特点及基坑工程特点，利用已建土体弹性模量模型，对天津某基坑开挖支护进行计算分析。

2弹性模量及模型

2.1弹性模量

土体的应力应变关系呈现为复杂的弹塑性本构关系， 土体在荷载作用下产生的应变既有塑性的， 也有弹性的。要想获得土体真实的弹性模量，需对土体的荷载条件进行深入的分析，将真实荷载施加于土体之上，通过试验取得较为真实的弹性模量，但试验周期较长，因而取值较难。

2.2弹性模量经验模型

笔者通过对已有参数统计分析，归纳总结出弹性模量与土的泊松比及孔隙比相关，同时通过相应常规物理力学参数对其进行修正，建立了土体常规参数与该模量的对应关系，大大方便了有限元计算参数的取用。

4结语

（1）通过对土体弹性模量及常规物理力学指标的统计分析，建立了弹性模型经验模型E=K×Es。

（2）模型建立后，利用天津某深基坑进行有限元试算，计算所得变形曲线与监测变形曲线可以达到很高程度的吻合，模型的可利用性得到验证。

（3）通过该有限元弹性模量的经验模型，可以轻松地从土体的常规物理力学试验获取参数并计算出其值，为弹性模量的获得提供了新方法，进而大大方便了有限元计算。

参考文献：

[1]姚爱国，汤凤林.Smith I M：基坑支护结构设计方法讨论[J].工业建筑，2001（3）.

[2]莫时雄，王杰光，李瑞雄.土层参数变化对深基坑变形的敏感性及其规律[J].桂林工学院学报，2008（4）.

[3]吴子超，杨雪强.ANSYS用于模拟上部结构与地基基础作用中土的弹性模量的影响[J].广东建材，2009（7）.

[4]洪家宝，刘嘉，郑克亚，等.水平荷载作用下排桩受力变形影响因素分析[J].水利与建筑工程学报，2011（2）.