1 案例说明 本案例用于演示如何采用FssiCAS进行基坑开挖、降水和支护过程模拟，并获取位移、应力、渗流等计算分布图。计算模型示意图如图1-1所示，结构物示意图如图1-2所示。土体尺寸150m（长）× 50m（深）× 5m（宽），基坑尺寸深度50m（宽）× 10m（深）× 5m（宽）。土体水位位于土层1下底面，设置结构物如下： （1）止水帷幕：三轴搅拌桩形成的止水墙，厚度650mm，长度L=19m，桩身采用PO42.5级水泥，弹性模量为3e10 Pa，泊松比0.3； （2）支护桩：灌注桩φ800mm，长度L=25m，中心距1100mm，桩身采用C30混凝土，弹性模量为3e10 Pa，泊松比0.25； （3）降水井点：采用逐层开挖降水进行，分三层开挖，开挖深度分别为：3m、6m、10m。 土层地质情况及计算参数如表1-1所示，工况设置如表1-2所示。 图1-1 计算模型示意图 图1-2 结构物示意图 表1-1 土层地质情况及计算参数 注：带*为经验值
表1-2 工况设置信息表
2 Abaqus模型构建和网格划分 在Abqus软件中依次进行：创建模型-指派材料-细致分区-网格划分-网格检查-导出模型网格-导出参考线，示意图如下图2-1至图2-7所示。其中网格检查未发现错误，网格单元总数为192900。 图2-1 利用Abqus创建模型 图2-2 为模型指派材料 图2-3 对模型进行细致分区，以便划分网格 图2-4 为模型划分网格 图2-5 检查网格质量 图2-6 导出模型网格的文件格式（.inp） 图2-7 导出参考线的文件格式（.igs）
3 FssiCAS 图形界面操作——前处理 3.1新建工程文件 在FssiCAS中新建并保存工程文件。 图3-1 新建并保存工程文件
3.2导入模型网格和背景线 在Load Mesh中选择Abqus，在弹出的文件选择对话框中选择Abqus输出的网格文件（.inp），双击或点击打开按钮。 图3-2 导入模型网格文件（.inp） 导入网格文件后，为了方便对数值模型添加边界条件，从LoadBackground导入背景线文件。 图3-3 导入背景线文件（*.igs）
3.3 几何模型的展示 图3-4（a） 模型正视图 图3-4（b） 模型整体图 图3-5 支护桩与止水帷幕细节图（1） 图3-6 支护桩与止水帷幕细节图（2） 图3-7 支护桩与止水帷幕细节图（3）
3.4 添加边界条件 本案例需要在土体的底部边界上施加 X 、 Y 与Z方向的约束，在土体的左右两侧边界上施加 X、Y方向的约束。 图3-8 底部边界 X、Y、Z 方向位移固定 图3-9 左侧边界 X、Y方向位移固定 图3-10 右侧边界 X、Y方向位移固定
3.5 设置水动力边界条件 计算模型中设置水动力边界参数如图3-11所示，Step 1 和 Step 2 不施加波浪力，因此不设置波浪高度。在左右两侧边界设置水动力边界，如图 3-12、3-13所示。 图3-11 设置水动力边界参数 图3-12 设置左侧水动力边界 图3-13 设置右侧水动力边界
3.6 Step 1 设置：原始状态，不开挖 3.6.1 设置重力加速度 点击 FssiCAS—Preprocess—Load—Filed Quantity—Uniform Field，为整个案例施加重力载荷。即加速度场的 X 、Y方向为 0 m/s2，Z 方向为 -9.806 m/s2，如图 3-14所示。Step 2-7的重力场在新建时间步时后自动复制当前时间步的设置，因此后续时间步不再重复施加加速度场。 图3-14 设置动力加速度
3.6.2 设置材料参数与本构模型 模型共包含五种材料，分别是桩、止水墙和三层不同参数土层，其中开挖区域为了区分开，选用的材料名称不同，均采用弹性材料。通过点击 FssiCAS—Preprocess—Materia设置材料参数。各材料参数设置如图3-15至3-22所示。 图3-15 设置桩材料参数 图3-16 设置止水帷幕材料参数 图3-17 设置土层1参数 图3-18 设置土层2材料参数 图3-19 设置土层3材料参数 图3-20 设置开挖层1材料参数 图3-21 设置开挖层2材料参数 图3-22 设置开挖层3材料参数
3.6.3 设置求解器类型 点击 FssiCAS—Preprocess—Solver—Solver Type，在弹出对话框中设置求解器类型，Step 1 的求解器类型及其参数设置如图 3-23所示。 图3-23 求解器设置
3.6.4 设置时间步 通过点击 FssiCAS—Preprocess—Solver—Time Step 设置时间步。具体设置如图3-24所示。 图3-24 时间步设置
3.6.5设置初始条件 点击 FssiCAS—Preprocess—Initial State，设置初始条件，点击 OK，完成初始状态设置，如图3-25所示。 图3-25 初始条件设置
3.7 Step 2 设置：第1次基坑开挖 Step 1 设置完毕后，添加 Step 2，Step 2 会自动复制 Step 1 的所有设置，点击按键选择 Step 2 进入 Step 2 设置界面。本小节只展示 Step 2与 Step 1 不同的设置，其他设置及步骤同Step 1。 3.7.1 设置开挖区域 在Step 2中，点击前处理界面中工具条2的 按钮，点击出现在树状菜单栏中的 Excavation and Build，在弹出的窗口中点击 Create，然后选择设置第1次开挖区域，如图 3-26所示，第1次开挖后示意图如图3-27所示。 图 3-26 选择将kaiwa1 对应的区域设置为开挖区域 图 3-27 第1次开挖后示意图
3.7.2 设置边界条件 基坑底部需施加孔隙压力，与外界空气连通，如图3-28所示。首先点击伸缩区中 Fluid Mesh进入流体节点界面，选择隐藏开挖地基，选中基坑底部边界添加 Pore Pressure。 图3-28 孔压施加
3.8 Step 3设置：第1次井点降水 本小节只展示 Step 3与 Step 2 不同的设置，其他设置及步骤同Step 2。 3.8.1设置井点降水 点击伸缩区 Fluid Mesh，进入流体网格界面。选中第1次开挖基坑内降水井上的点，施加流量 Flux，如图3-29所示。 图3-29 流量施加
3.9 Step 4设置：第2次基坑开挖 本小节只展示 Step 4与 Step 3 不同的设置，其他设置及步骤同Step 3。 3.9.1 设置开挖区域 设置第2次开挖区域，如图 3-30所示，第2次开挖后示意图如图3-31所示。 图3-30 地基开挖 图3-31 第2次开挖后示意图
3.9.2 设置边界条件 基坑底部需施加孔隙压力，与外界空气连通，如图3-32所示。 图3-32 孔压施加
3.10 Step 5设置：第2次井点降水 本小节只展示 Step 5与 Step 4 不同的设置，其他设置及步骤同Step 4。 3.10.1设置井点降水 点击伸缩区 Fluid Mesh，进入流体网格界面。选中第2次开挖基坑内降水井上的点，施加流量 Flux，如图3-33所示。 图3-33 流量施加
3.11 Step 6设置：第3次基坑开挖 本小节只展示 Step 6与 Step 5 不同的设置，其他设置及步骤同Step 5。 3.11.1 设置开挖区域 设置第3次开挖区域，如图 3-34所示，第3次开挖后示意图如图3-35所示。 图3-34 地基开挖 图3-35 第3次开挖后示意图 3.11.2 设置边界条件 基坑底部需施加孔隙压力，与外界空气连通，如图3-36所示。 图3-36 孔压施加
3.12 Step 7设置：第3次井点降水 本小节只展示 Step 7与 Step 6 不同的设置，其他设置及步骤同Step 6。 3.12.1设置井点降水 点击伸缩区 Fluid Mesh，进入流体网格界面。选中第3次开挖基坑内降水井上的点，施加流量 Flux，如图3-37所示。 图3-37 流量施加
3.13 计算并保存 点击树状菜单栏内的 Computation-FSSI-W，在弹出的对话框中选择 All Step 进行计算。点击OK 后，软件会提示将结果文件以及条件设置进行保存，选择一个文件夹进行保存后，计算即可进行。 图 3-38 数值计算完成界面
4 FssiCAS 图形界面操作——后处理 用户点击树状菜单栏上的 Results，即可进入后处理界面。 4.1 加载文件 点击在后处理界面上 Results 树状菜单栏中的 Open Results File，在弹出的窗口中点击 Soil Result Files Director—Load Files，选择需要处理的结果文件夹，进入后处理阶段，如图4-1所示。 图 4-1 加载结果文件
4.2 绘制分布图 点击 FssiCAS—Postprocess—Distribution—Solid & Structures，绘制位移、孔压、渗流、应力计算分布图。各阶段的分布图如下。 4.2.1 step1（初始状态） 图 4-2 step1（初始状态）X方向位移分布图 图 4-3 step1（初始状态）Z方向位移分布图 图 4-4 step1（初始状态）孔压分布图 图 4-5 step1（初始状态）X方向应变分布图 图 4-6 step1（初始状态）Z方向应变分布图 Step1 分布图分析： （1）X方向位移 (图4-2)：初始状态下，X方向位移接近零，土体未受任何外部荷载，因此不应发生显著位移。 （2）Z方向位移 (图4-3)：重力作用下，土体会有微小的沉降，但整体应稳定，没有显著位移。 （3）孔压 (图4-4)：初始孔压应与地下水位高度一致。孔压主要集中在地下水位以下区域，较高的孔压分布在下部土层。 （4）X方向应变 (图4-5)：初始状态下，X方向应变应较小，主要由于重力引起的土体内应力。 （5）Z方向应变 (图4-6)：Z方向应变应反映出重力引起的沉降效应，除支护桩和止水帷幕部分不受影响，其他部分整体应变较小且均匀分布。
4.2.2 step2（第1次开挖） 图 4-7 step2（第1次开挖）X方向位移分布图 图 4-8 step2（第1次开挖）Z方向位移分布图 图 4-9 step2（第1次开挖）孔压分布图 图 4-10 step2（第1次开挖）X方向应变分布图 图 4-11 step2（第1次开挖）Z方向应变分布图 Step2 分布图分析： （1）X方向位移 (图4-7)：基坑开挖导致桩周围土体向开挖区域移动，桩附近会有显著水平位移。位移集中在基坑周围，逐渐向外减小。 （2）Z方向位移 (图4-8)：垂直位移主要集中在基坑底部及其周围，桩周围土体下沉。 （3）孔压 (图4-9)：开挖导致孔压降低，特别是在基坑底部，与外界空气连通，孔压显著降低。 （4）X方向应变 (图4-10)：X方向应变集中在开挖区域及其周围，反映出土体受拉应力，开挖区域应变较大。 （5）Z方向应变 (图4-11)：Z方向基坑底部应变方向向上，坑底有向上拱起的趋势，随着深度增加，应变方向向下发展，并呈现增大趋势。
4.2.3 step3（第1次降水） 图 4-12 step3（第1次降水）X方向位移分布图 图 4-13 step3（第1次降水）Z方向位移分布图 图 4-14 step3（第1次降水）孔压分布图 图 4-15 step3（第1次降水）渗流速度矢量图 图 4-16 step3（第1次降水）渗流速度矢量图局部放大 （注：图中蓝色部分因与流速矢量颜色相同会遮挡部分矢量箭头，流速矢量实际上是呈对称分布的，下文中出现此现象的原因同此） 图 4-17 step3（第1次降水）X方向应变分布图 图 4-18 step3（第1次降水）Z方向应变分布图 Step3 分布图分析： （1）X方向位移 (图4-12)：降水引起的地下水位下降导致周围土体位移有所变化，特别是在降水井点及桩底附近，水平位移增加。 （2）Z方向位移 (图4-13)：垂直位移随地下水位下降而增加，土体进一步沉降。 （3）孔压 (图4-14)：降水井点附近孔压显著降低，反映出降水的影响。孔压分布图显示降水点的有效影响范围。 （4）渗流速度 (图4-15, 图4-16):渗流速度矢量指向降水井点，显示水流方向和速度。降水过程中，水流加速向井点集中。 （5）X方向应变 (图4-17)：降水导致土体应力重分布，出现新的应变集中区。X方向应变增加，特别是在降水井点附近。 （6）Z方向应变 (图4-18)：垂直应变随土体沉降而减少，降水引起的土体收缩导致应变减少。
4.2.4 step4（第2次开挖） 图 4-19 step4（第2次开挖）X方向位移分布图 图 4-20 step4（第2次开挖）Z方向位移分布图 图 4-21 step4（第2次开挖）孔压分布图 图 4-22 step4（第2次开挖）X方向应变分布图 图 4-23 step4（第2次开挖）Z方向应变分布图 Step4 分布图分析： （1）X方向位移 (图4-19)：新的开挖区域会出现新的位移集中区，基坑底部周围土体向内移动，桩因受开挖影响向两侧倾斜，水平位移增加。 （2）Z方向位移 (图4-20)：垂直位移随地下水位下降而增加，土体进一步沉降。 （3）孔压 (图4-21)：展示了新的基坑开挖对地下水位的影响，降水井点附近孔压显著降低，反映出降水的影响。孔压分布图显示降水点的有效影响范围。 （4）X方向应变 (图4-22)：新的开挖区域应变集中，土体应力重新分布，X方向应变增加。 （5）Z方向应变 (图4-23)：垂直应变随土体沉降而减少，降水引起的原受地下水影响部分的土体收缩导致应变减少。
4.2.5 step5（第2次降水） 图 4-24 step5（第2次降水）X方向位移分布图 图 4-25 step5（第2次降水）Z方向位移分布图 图 4-26 step5（第2次降水）孔压分布图 图 4-27 step5（第2次降水）渗流速度矢量图局部放大 图 4-28 step5（第2次降水）渗流速度矢量图局部放大 图 4-29 step5（第2次降水）X方向应变分布图 图 4-30 step5（第2次降水）Z方向应变分布图 Step5 分布图分析： （1）X方向位移 (图4-24)：降水引起的地下水位下降导致周围土体位移有所变化，特别是在降水井点及桩底附近，水平位移增加。 （2）Z方向位移 (图4-25)：垂直位移随地下水位下降而增加，土体进一步沉降。同时，当进行降水时，地下水位迅速下降，基坑底部的孔隙水压力减少，因为降水深度的增加，地下水的反作用力减小，而地层的浮力会导致基坑底部土体上拱。这种现象常称为“底部隆起”或“浮土”。 （3）孔压 (图4-26)：孔压在降水井点附近显著降低，这一变化导致基坑底部土体浮力增加，从而出现拱起现象。孔压分布图显示降水点的有效影响范围。 （4）渗流速度 (图4-27, 图4-28):渗流速度矢量指向降水井点，显示水流方向和速度。降水过程中，水流加速向井点集中。 （5）X方向应变 (图4-29)：降水导致土体应力重分布，出现新的应变集中区。X方向应变增加，特别是在降水井点附近。 （6）Z方向应变 (图4-30)：垂直应变随土体沉降而减少，降水引起的土体收缩导致应变减少。垂直应变图显示了土体在基坑底部的反弹效应和应力重分布。这些变化与基坑底部拱起现象一致。
4.2.6 step6（第3次开挖） 图 4-31 step6（第3次开挖）X方向位移分布图 图 4-32 step6（第3次开挖）Z方向位移分布图 图 4-33 step6（第3次开挖）孔压分布图 图 4-34 step6（第3次开挖）X方向应变分布图 图 4-35 step6（第3次开挖）Z方向应变分布图 Step6 分布图分析： （1）X方向位移 (图4-31)：新的开挖区域出现新的位移集中区，水平位移增加，基坑底部周围土体向内移动，桩底位移向外移动。 （2）Z方向位移 (图4-32)：受step5降水的影响，地层的浮力仍会导致基坑底部土体上拱，使得基坑底部出现“浮土”现象。 （3）孔压 (图4-33)：孔压在降水井点附近显著降低，这一变化导致基坑底部土体浮力增加，从而出现拱起现象。孔压分布图显示降水点的有效影响范围。 （5）X方向应变 (图4-34)：新的开挖区域应变集中，土体应力重新分布，X方向应变增加。 （6）Z方向应变 (图4-35)：土体在基坑底部的反弹效应和应力重分布。这些变化与基坑底部拱起现象一致。
4.2.7 step7（第3次降水） 图 4-36 step7（第3次降水）X方向位移分布图 图 4-37 step7（第3次降水）Z方向位移分布 图 4-38 step7（第3次降水）孔压分布图 图 4-39 step7（第3次降水）渗流速度矢量图 图 4-40 step7（第3次降水）渗流速度矢量图局部放大 图 4-41 step7（第3次降水）X方向应变分布图 图 4-42 step7（第3次降水）Z方向应变分布图 Step7 分布图分析： （1）X方向位移 (图4-36)：降水引起的地下水位下降导致周围土体位移有所变化，特别是在降水井点及桩底附近，此时桩因承受开挖带来的侧土压力，倾斜趋势增加，桩底水平位移向基坑外侧增加。 （2）Z方向位移 (图4-37)：基坑底部的拱起现象在Z方向位移图中再次明显。这种拱起现象与前几次降水后的变化类似。降水时，地下水位迅速下降，基坑底部的孔隙水压力减少，因为降水深度的增加，地下水的反作用力减小，而地层的浮力导致基坑底部土体上，出现“浮土”现象。 （3）孔压 (图4-38)：孔压在降水井点附近再次显著降低，这一变化导致基坑底部土体浮力增加，从而出现拱起现象。与Step 5相比，孔压进一步降低，表明降水的影响更大。孔压分布图显示降水点的有效影响范围。 （4）渗流速度 (图4-39, 图4-40)：渗流速度矢量显示水流向井点集中，水流加速，进一步表明降水的强烈影响。 （5）X方向应变 (图4-41)：降水导致土体应力重分布，出现新的应变集中区。X方向应变增加，特别是在降水井点附近。 （6）Z方向应变 (图4-42)：垂直应变图显示了土体在基坑底部的反弹效应和应力重分布。这些变化与基坑底部拱起现象一致。降水引起的应力变化在基坑底部表现为明显的反弹效应。
