楊玉順 張繼華 沈 威 張春雷 武精科
(淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院,江蘇 淮安 223001)
基坑工程課程教學(xué)主要以傳統(tǒng)的講授為主,教學(xué)方式單一,學(xué)生學(xué)習(xí)效率低,該課程主要研究基坑支護設(shè)計與施工問題[1],基坑支護類型多樣,理論計算復(fù)雜,加上外界因素的干擾,學(xué)生很難提起興趣。作為土木工程專業(yè)的綜合性課程,理論學(xué)時偏少,實驗課時少甚至沒有,學(xué)生很難透徹理解基坑支護設(shè)計與施工基本理論。數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)為分析巖土體內(nèi)部破壞特性提供有力的可視化手段[2-3],可直觀再現(xiàn)基坑施工過程中巖土體的變形破壞特性[4-5],進而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。
筆者結(jié)合案例分析,通過數(shù)值模擬軟件建立三維模型,模擬研究不同尺寸開挖過程中巖土體變形破壞特性,通過可視化直觀再現(xiàn)結(jié)果,探究基坑開挖過程中巖土體的變形破壞特性。
結(jié)合某基坑工程概況,采用FLAC3D5.0軟件建立尺寸X×Y×Z=50 m×50 m×50 m的三維模型,見圖1?;游挥谀P晚敳恐行奈恢?,模型頂部自由,底部和四周施加法向位移約束,巖土體力學(xué)參數(shù)見表1所示。
圖1 三維模型
表1 土體力學(xué)參數(shù)
表中,K—體積模量;G—剪切模量;c—內(nèi)聚力;φ—內(nèi)摩擦角,t—抗拉強度。
改變基坑尺寸(X×Y×Z)分別為:5 m×5 m×5 m、10 m×10 m×10m和15 m×5 m×15 m。
由于基坑形狀對稱分布,僅給出不同基坑開挖尺寸下X方向變形結(jié)果,見圖2。基坑開挖尺寸為5 m、10 m和15 m時變形量分別為12.5 mm、872.31 mm和1 327.14 mm,表明隨著基坑開挖尺寸的增大,其水平方向的變形量逐漸增大。
圖2 不同基坑開挖尺寸下X方向變形云圖
圖3為不同基坑開挖尺寸下土體塑性區(qū)云圖,隨著基坑開挖尺寸的增大的增加,周圍巖土體破壞區(qū)域逐漸增大,破壞方式主要以剪切破壞和拉伸破壞為主。
圖3 不同基坑開挖尺寸塑性區(qū)云圖
為直觀分析土體破壞區(qū)域,采用圖3中塑性區(qū)單元格數(shù)量進行表示,如圖4所示?;娱_挖尺寸為5 m、10 m和15 m時單元格破壞數(shù)量分別為71、226和312,擬合基坑開挖尺寸與單元格數(shù)量關(guān)系曲線符合線性增長關(guān)系。
圖4 單元格破壞數(shù)量
結(jié)合基坑工程教學(xué)現(xiàn)狀及基坑工程問題的特點,提出將數(shù)值模擬技術(shù)運用到日常教學(xué)過程中,加強授課方式的結(jié)合。結(jié)合基坑工程案例分析,直觀再現(xiàn)不同基坑尺寸開挖過程中的變形破壞特性,可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在實際授課過程中積極組織學(xué)生參與數(shù)值模擬技術(shù)的學(xué)習(xí)和實際應(yīng)用,可提高和培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際工程問題的能力。