1 绪论
1.1 研究背景及意义
改革开放以来，我国发展水平不断提高，经济发展带动了建筑行业的快速发展。随着居民生活水平的不断提高，我国人口数量急剧增长，伴随而来的问题就是人口密度也急剧增加，原有的城镇规模限制了地方经济水平的发展。因此在我国的城镇一体化政策推动下，城市规模扩张已经成为大势所趋。采用成熟适宜的技术开发利用地下空间也成为了建筑发展的潮流，国内基坑工程快速发展。随着地下空间开发技术的普及应用，基坑工程呈现出规模不断增加，深度不断增加，影响范围不断扩大的特点，理论技术指导施工实践，在具体实施中的经验反哺理论的提升，这是基坑工程技术发展的必要循环。目前为止，业界对于基坑工程施工技术的研究有待完善，对施工经验的认知有待深入，这也间接导致了基坑事故的产生。
1.1 研究背景及意义
改革开放以来，我国发展水平不断提高，经济发展带动了建筑行业的快速发展。随着居民生活水平的不断提高，我国人口数量急剧增长，伴随而来的问题就是人口密度也急剧增加，原有的城镇规模限制了地方经济水平的发展。因此在我国的城镇一体化政策推动下，城市规模扩张已经成为大势所趋。采用成熟适宜的技术开发利用地下空间也成为了建筑发展的潮流，国内基坑工程快速发展。随着地下空间开发技术的普及应用，基坑工程呈现出规模不断增加，深度不断增加，影响范围不断扩大的特点，理论技术指导施工实践，在具体实施中的经验反哺理论的提升，这是基坑工程技术发展的必要循环。目前为止，业界对于基坑工程施工技术的研究有待完善，对施工经验的认知有待深入，这也间接导致了基坑事故的产生。
土钉支护作为基坑支护技术的一个主要技术手段，得益于其施工技术简单、效率高、成本低、施工噪音小和振动小的高实用性得到了广泛应用。随着城市建筑密度的提高，往往在规划的新区域内存在多个工程，这也导致基坑施工的场地条件受到一定的约束，施工场地周围分布道路、建筑和地下管线，场地的施工条件与理想化的设计条件存在落差，施工过程存在复杂性，对基坑变形和稳定性控制也提出了严格的要求。在基坑开挖过程中，基坑自身稳定性、支护结构的应力应变和影响范围内的位移变形是一个动态的演变过程，传统的基坑监测手段只能结合数据分析工程表观层面的安全性，对于大部分影响因素的变化无法细致掌握。并且基坑支护结构的设计理论缺乏统一的定性方案，设计人员的自身的设计理论和经验起到很大的决定性作用，这就使得在工程的某些问题上缺乏统一认知。随着 ABAQUS、ANSYS 等有限元软件的普及，借助基坑工程开挖的动态模拟，能够得到一系列较为可靠的数据，对于施工环境的模拟，也使得基坑工程数据分析的实时性、可靠性成为可能。
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1.2 研究现状
1.2.1 基坑工程发展现状
目前学界对于基坑工程的研究方向种类较多，主要是对于不同的支护形式提出不同的计算理论和分析手段。
Tanotsu[1]等把土和桩分别设定为摩尔-库伦材料和刚性体，基于土的塑性理论，建立了桩在边坡滑动状态下的极限侧向土压力公式，该模型考虑了桩间软弱土体受桩的挤压而产生的塑性变形，在室内模拟实验的验证下证明是符合预期的。
Tanotsu[2]等研究了基坑开挖过程中支护桩上承受土横向压力的变化，推导出用来估计土体移动而产生横向压力的理论方程，在运用数据验证方程有效性期间，加入了对于桩间隔的考虑，进一步优化了方程。
Matsuo[3]等将可靠度算法引入了基坑支护结构的安全性分析，提供了一个新思路。
Ou[4]等选取了 10 个工程案例，对深基坑开挖的地表沉降监测数据进行分析并总结了变化特点，推导出地表沉降最大值可能出现的位置和影响范围，最终建立了一个能够预测剖面上地表沉降的经验公式。
陈生东[5]等针对复杂环境下的基坑施工，采用了多个监测指标来衡量开挖过程的安全性，着重监测了北侧文物保护单位和既有建筑物的监测数据，认为信息化施工在监测过程中十分重要。
贾坚[6]等结合实际工程，总结了影响深大基坑开挖变形的主要因素，通过数据分析发现基底的土体回弹区域主要在开挖面以下 0.35H（H 为开挖深度）的范围内，深大基坑由于体量增大，各项变形和影响范围均大于传统的窄条形深基坑。
沈健[7]结合大量的基坑工程研究了区域内多基坑相互间的联系和影响，运用数值模拟方法优化了施工顺序。
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2 基坑变形机理和监测数据分析
2.1 基坑支护结构的计算理论
对于支护结构的计算分析，通常把支护结构看作一个在边坡上分布侧向土压力的简化模型，整个结构受侧向土压力的作用，再对其进行计算。依据该计算方式发展出的基本方法可分为经典方法、弹性地基梁法和有限元法三种。
2.1.1 经典方法
经典法中包括等值梁法、分割法和刚性支承连续梁法等多种经典计算理论，这些方法的基本思路是一致的。经典法是取简化结构中单位宽度侧向受力的梁系，依据力的平衡方法对支护结构进行计算。模型中的土压力可以使用经典理论的土压力方法，如朗肯土压力、库伦土压力等，也可以使用 Terzaghi 和 Peck 在 20 世纪 60 年代提出的经验表观土压力[52]。目前国内普遍采用等值梁法，该方法将支护结构在反弯点处分为上下两部分，上半部分简支，下半部分为一次超静定结构，其弯矩图对照初始基本假定模型的弯矩是不变的。
经典法将支护结构模型进行了最大程度的简化，减少了模型计算量，得益于其高效性一直被使用。另一方面，经典法中对于支护结构的假定是依据基坑工程中结构的最终形态而进行，而基坑的开挖是动态的，因此底端的支点位置随着开挖进度不断变化，经典方法不能充分考虑动态模拟过程，忽略了支护系统间的变形协调，同时经典 法缺乏求解支护结构位移的手段。综上来说，经典方法在适用手动计算的同时，也受到较大的限制。
2.1.2 竖向弹性地基梁法
1.2 研究现状
1.2.1 基坑工程发展现状
目前学界对于基坑工程的研究方向种类较多，主要是对于不同的支护形式提出不同的计算理论和分析手段。
Tanotsu[1]等把土和桩分别设定为摩尔-库伦材料和刚性体，基于土的塑性理论，建立了桩在边坡滑动状态下的极限侧向土压力公式，该模型考虑了桩间软弱土体受桩的挤压而产生的塑性变形，在室内模拟实验的验证下证明是符合预期的。
Tanotsu[2]等研究了基坑开挖过程中支护桩上承受土横向压力的变化，推导出用来估计土体移动而产生横向压力的理论方程，在运用数据验证方程有效性期间，加入了对于桩间隔的考虑，进一步优化了方程。
Matsuo[3]等将可靠度算法引入了基坑支护结构的安全性分析，提供了一个新思路。
Ou[4]等选取了 10 个工程案例，对深基坑开挖的地表沉降监测数据进行分析并总结了变化特点，推导出地表沉降最大值可能出现的位置和影响范围，最终建立了一个能够预测剖面上地表沉降的经验公式。
陈生东[5]等针对复杂环境下的基坑施工，采用了多个监测指标来衡量开挖过程的安全性，着重监测了北侧文物保护单位和既有建筑物的监测数据，认为信息化施工在监测过程中十分重要。
贾坚[6]等结合实际工程，总结了影响深大基坑开挖变形的主要因素，通过数据分析发现基底的土体回弹区域主要在开挖面以下 0.35H（H 为开挖深度）的范围内，深大基坑由于体量增大，各项变形和影响范围均大于传统的窄条形深基坑。
沈健[7]结合大量的基坑工程研究了区域内多基坑相互间的联系和影响，运用数值模拟方法优化了施工顺序。
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2 基坑变形机理和监测数据分析
2.1 基坑支护结构的计算理论
对于支护结构的计算分析，通常把支护结构看作一个在边坡上分布侧向土压力的简化模型，整个结构受侧向土压力的作用，再对其进行计算。依据该计算方式发展出的基本方法可分为经典方法、弹性地基梁法和有限元法三种。
2.1.1 经典方法
经典法中包括等值梁法、分割法和刚性支承连续梁法等多种经典计算理论，这些方法的基本思路是一致的。经典法是取简化结构中单位宽度侧向受力的梁系，依据力的平衡方法对支护结构进行计算。模型中的土压力可以使用经典理论的土压力方法，如朗肯土压力、库伦土压力等，也可以使用 Terzaghi 和 Peck 在 20 世纪 60 年代提出的经验表观土压力[52]。目前国内普遍采用等值梁法，该方法将支护结构在反弯点处分为上下两部分，上半部分简支，下半部分为一次超静定结构，其弯矩图对照初始基本假定模型的弯矩是不变的。
经典法将支护结构模型进行了最大程度的简化，减少了模型计算量，得益于其高效性一直被使用。另一方面，经典法中对于支护结构的假定是依据基坑工程中结构的最终形态而进行，而基坑的开挖是动态的，因此底端的支点位置随着开挖进度不断变化，经典方法不能充分考虑动态模拟过程，忽略了支护系统间的变形协调，同时经典 法缺乏求解支护结构位移的手段。综上来说，经典方法在适用手动计算的同时，也受到较大的限制。
2.1.2 竖向弹性地基梁法
弹性地基梁法是假定单位宽度的支护墙或单根支护桩为梁，把梁竖直放置在弹性地基上从而求解变形的方法。该方法中，整个弹性地基梁受侧向压力的作用，基坑内侧的土压力和外侧地下水压力是已知荷载，把基坑开挖面之下的土体假定为弹性地基，土体对梁的作用效果类似于多个土弹簧的作用，同时把开挖面以上的支撑假定为弹性支点，简化后的支撑作用效果等同于多个二力杆弹簧，此时弹簧的影响因素包括支撑长度、截面面积和弹性模量等参数。
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2.2 基坑工程变形机理
基坑未开挖前，开挖范围内的土体没有受到强烈扰动，整个土层甚至空间体系内保持着一个相对平衡的状态，一旦对该区域的土体开挖，随着深度增加，土体将在竖直方向上产生卸载，土体的应力平衡就会被破坏，当未开挖部分的土体侧向压力增加到极限时，就会引发基坑变形。目前随着城市化发展，城市建筑密度也在不断增大，地下又设置着管线系统，因此对于基坑工程，不仅要顾及开挖时基坑自身的稳定，更要综合考虑合理控制周围土体的变形，因此设置支护结构显得尤为重要，对基坑工程变形机理的研究也更为关键。
基坑工程施工过程中，对于开挖部分及时设置合理的支护结构能够抵御部分土体侧向压力，此时支护结构和土体相对稳定，而一旦继续开挖，新的土体暴露，未开挖部分会对其作用新的侧向压力差，支护结构将产生水平位移，基坑边坡范围内的土体在自重应力和外部因素的双重因素下产生沉降，坑底的土体由于挤压作用也会向上变形。目前基坑变形的形式有围护结构变形、周边地表沉降和基坑底部隆起三种。
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2.2 基坑工程变形机理
基坑未开挖前，开挖范围内的土体没有受到强烈扰动，整个土层甚至空间体系内保持着一个相对平衡的状态，一旦对该区域的土体开挖，随着深度增加，土体将在竖直方向上产生卸载，土体的应力平衡就会被破坏，当未开挖部分的土体侧向压力增加到极限时，就会引发基坑变形。目前随着城市化发展，城市建筑密度也在不断增大，地下又设置着管线系统，因此对于基坑工程，不仅要顾及开挖时基坑自身的稳定，更要综合考虑合理控制周围土体的变形，因此设置支护结构显得尤为重要，对基坑工程变形机理的研究也更为关键。
基坑工程施工过程中，对于开挖部分及时设置合理的支护结构能够抵御部分土体侧向压力，此时支护结构和土体相对稳定，而一旦继续开挖，新的土体暴露，未开挖部分会对其作用新的侧向压力差，支护结构将产生水平位移，基坑边坡范围内的土体在自重应力和外部因素的双重因素下产生沉降，坑底的土体由于挤压作用也会向上变形。目前基坑变形的形式有围护结构变形、周边地表沉降和基坑底部隆起三种。
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3.1 模型的条件设定 .......................... 25
3.1.1 基本假定 .................................. 25
3.1.2 模型尺寸 ......................... 25
4 土钉支护 GUI 程序开发 ................................. 39
4.1 ABAQUS GUI 开发基础 ...................................... 39
4.1.1 ABAQUS 软件接口概述 .................................. 39
4.1.2 ABAQUS 对象模型 ........................... 40
5 结论和展望 ................................... 69
5.1 结论 ......................................... 69
5.2 展望 .............................. 69
4 土钉支护 GUI 程序开发
4.1 ABAQUS GUI 开发基础
4.1.1 ABAQUS 软件接口概述
正如上文所述，ABAQUS 软件作为大型通用有限元软件得到了广泛使用，但其并非是针对特定领域定制，所以在具体使用过程中需要遴选本专业所需的建模方法和模块要素。如果按照繁琐的建模步骤，很显然 ABAQUS 在解决同类问题时无法满足某些特定需要。为了适应这种情况，ABAQUS 开放了两种接口供用户个人实施二次开发，这两种接口分别为：
4.1 ABAQUS GUI 开发基础
4.1.1 ABAQUS 软件接口概述
正如上文所述，ABAQUS 软件作为大型通用有限元软件得到了广泛使用，但其并非是针对特定领域定制，所以在具体使用过程中需要遴选本专业所需的建模方法和模块要素。如果按照繁琐的建模步骤，很显然 ABAQUS 在解决同类问题时无法满足某些特定需要。为了适应这种情况，ABAQUS 开放了两种接口供用户个人实施二次开发，这两种接口分别为：
（1）用户子程序接口（User Surbroutine）：这种接口依托 Fortran 语言执行开发，用户可以结合需要对本构关系和单元属性进行自定义。
（2）ABAQUS 脚本接口（Abaqus Scripting Interface）：这种接口基于 Python 语言执行自定义的功能开发，对象模型和数据类型更为丰富，因此脚本接口的功能也更丰富，使用该接口可以使 ABAQUS 前后处理、自定义模块更加便捷。
（2）ABAQUS 脚本接口（Abaqus Scripting Interface）：这种接口基于 Python 语言执行自定义的功能开发，对象模型和数据类型更为丰富，因此脚本接口的功能也更丰富，使用该接口可以使 ABAQUS 前后处理、自定义模块更加便捷。
目前 ABAQUS 中 Python 的脚本接口基本上分为六种，通过这些接口接入命令脚本可以实现 Abaqus/CAE 的所有功能，脚本直接替代鼠标的频繁点击从而实现了创建修改模型参数、创建提交作业和查看计算结果这一整个模拟过程。脚本接口的方式分别为：环境文件 abaqus_v6.env 中的配置文件、INP 文件中*PARAMETER 中的参数、执行参数分析的 psf 脚本文件、Abaqus/CAE 在建模过程中记录的 rpy 脚本、Abaqus/CAE 中 Run Script 对话框和建模过程中的录制宏（Macro Manager）功能。
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5 结论和展望
5.1 结论
本文以开封美的国宾府项目为例，选取了部分监测点的数据进行整理，分别绘制了坡顶水平位移、竖向位移和周边地表沉降的时程曲线图，对施工过程中的变形规律进行整体性的探讨。选取典型剖面并利用 ABAQUS 软件建立了二维模型，对施工工况进行仿真模拟，得到坡顶多工况下的水平位移，竖向位移和周边地表沉降等模拟结果，将其和监测数据进行对比。利用 Python 语言编写了土钉支护结构参数化建模的脚本代码，并利用 RSG 对话框构造器建立了 GUI 程序交互界面，对程序功能进行了测试。本文得到的结论如下：
（1）基坑的坡顶水平位移、竖向位移和开挖深度影响范围内的地表沉降都会随着开挖深度的增加而呈现出增大的趋势，在设置支护结构后，对基坑开挖产生的临空面起到了很好的保护作用，各项监测值的变化速率放缓。
（2）ABAQUS 二维模型的数值模拟结果所表现出的变形趋势整体上与基坑监测数据一致，变形值会随着开挖而不断增大，主要差距在于数值模拟中的支护结构激活后，变形速率急剧减小，因此数值模拟中的变形趋势呈阶梯状增大。通过对地表沉降的分析发现，基坑开挖的影响宽度基本在开挖深度的 3 倍范围内，且最大沉降的凹槽区基本在超载区域。
5.1 结论
本文以开封美的国宾府项目为例，选取了部分监测点的数据进行整理，分别绘制了坡顶水平位移、竖向位移和周边地表沉降的时程曲线图，对施工过程中的变形规律进行整体性的探讨。选取典型剖面并利用 ABAQUS 软件建立了二维模型，对施工工况进行仿真模拟，得到坡顶多工况下的水平位移，竖向位移和周边地表沉降等模拟结果，将其和监测数据进行对比。利用 Python 语言编写了土钉支护结构参数化建模的脚本代码，并利用 RSG 对话框构造器建立了 GUI 程序交互界面，对程序功能进行了测试。本文得到的结论如下：
（1）基坑的坡顶水平位移、竖向位移和开挖深度影响范围内的地表沉降都会随着开挖深度的增加而呈现出增大的趋势，在设置支护结构后，对基坑开挖产生的临空面起到了很好的保护作用，各项监测值的变化速率放缓。
（2）ABAQUS 二维模型的数值模拟结果所表现出的变形趋势整体上与基坑监测数据一致，变形值会随着开挖而不断增大，主要差距在于数值模拟中的支护结构激活后，变形速率急剧减小，因此数值模拟中的变形趋势呈阶梯状增大。通过对地表沉降的分析发现，基坑开挖的影响宽度基本在开挖深度的 3 倍范围内，且最大沉降的凹槽区基本在超载区域。
（3）基于土钉支护基坑变形分析的目的，编写了 Python 脚本语言，通过 GUI 程序实现了脚本和 ABAQUS 内核之间的通信，实现了同类型数值模拟的参数化建模，缩短了建模时间，规避了手动建模过程中的失误。为基坑变形分析和预警的数值模拟研究提供了基础性的手段。
参考文献（略）
参考文献（略）