引言

在城市化进程加速推进的背景下，城市土地资源日益紧张，地下空间开发成为缓解土地供需矛盾的重要途径，深基坑工程随之在高层建筑、地下交通等领域广泛应用。深基坑工程施工环境复杂，易受地质条件、周边建筑物、地下管线等因素影响，围护结构需同时承担挡土、止水等多重功能，其设计难度显著提升。传统的围护结构设计方法依赖经验公式，难以精准捕捉复杂地质条件下结构的受力与变形规律，易出现设计保守或安全储备不足的问题。有限元分析技术能够通过建立精细化的数值模型，模拟不同工况下围护结构的力学响应，为优化设计提供精准的数据分析支持。

一、有限元分析在深基坑围护结构设计中的应用基础

（一）有限元分析的核心原理

有限元分析是一种基于数值计算的力学分析方法，其核心原理是将复杂的连续体结构离散为若干个简单的单元体，通过建立单元体的力学平衡方程，结合边界条件求解整体结构的力学响应。在深基坑围护结构分析中，有限元分析能够将围护结构、土体、支撑体系等复杂系统转化为可计算的数值模型，精准模拟结构在开挖过程中的应力分布、位移变化以及土体与结构的相互作用。该方法突破了传统分析方法的局限性，能够适应复杂地质条件与结构形式，为围护结构的优化设计提供全面、精准的力学参数。

（二）有限元分析的应用价值

有限元分析在深基坑围护结构设计中的应用具有多重价值。在设计精准性方面，其能够精准模拟不同施工阶段围护结构的受力与变形特性，提前预判潜在的安全风险，为设计方案的优化提供数据支撑；在经济性方面，通过精准分析结构受力需求，可避免过度设计导致的材料浪费，在保障安全的前提下降低工程成本；在风险管控方面，能够模拟极端工况下围护结构的响应，为施工过程中的风险预警与应急处置提供理论依据；在设计效率方面，借助有限元分析软件可快速完成多方案对比分析，缩短设计周期，提升设计效率。

（三）有限元分析的适用场景

有限元分析适用于多种复杂条件下的深基坑围护结构设计场景。对于地质条件复杂的深基坑工程，如富含地下水、软土分布不均、存在不良地质体等情况，有限元分析能够精准反映土体力学特性对围护结构的影响；对于周边环境敏感的工程，如临近既有建筑物、重要地下管线、地铁线路等，其可模拟围护结构变形对周边环境的影响范围与程度，为保护措施设计提供依据；对于结构形式复杂的围护体系，如组合式围护结构、异形围护结构等，有限元分析能够全面分析结构各构件的受力协同性，保障设计方案的合理性。

二、深基坑围护结构优化设计核心内容与有限元分析流程

（一）围护结构优化设计的核心内容

深基坑围护结构优化设计的核心内容涵盖结构形式选型、构件参数优化与支撑体系配置三个关键方面。结构形式选型需结合地质条件、基坑深度、周边环境等因素，对比不同围护结构形式的适用性与经济性，选择最优结构方案；构件参数优化包括围护桩墙的截面尺寸、入土深度、材料强度等参数的优化，需在满足受力与变形要求的前提下实现参数合理化；支撑体系配置优化涉及支撑的类型、布置方式、间距、截面尺寸等内容，需确保支撑体系与围护结构协同工作，有效传递与分散荷载。

（二）有限元分析的前期准备流程

有限元分析的前期准备是保障分析结果准确性的基础，主要包括模型构建、参数选取与边界条件设定三个环节。模型构建需根据工程地质勘察资料与设计方案，建立包含围护结构、土体、支撑体系、地下水等要素的三维数值模型，明确各要素的几何形态与空间位置关系；参数选取需结合试验数据与工程经验，确定土体的物理力学参数、结构材料的力学参数以及土体与结构接触面的力学参数；边界条件设定需模拟实际工程中的约束状态，包括模型的位移约束与受力约束，确保模型能够真实反映工程实际受力环境。

（三）有限元分析的核心实施流程

有限元分析的核心实施流程包括工况模拟、力学响应分析与结果验证三个步骤。工况模拟需按照施工进度规划，依次模拟基坑开挖、支撑安装、主体结构施工等关键阶段，还原工程施工的全过程；力学响应分析通过求解数值模型，获取各施工阶段围护结构的应力分布、位移变化、内力大小以及土体的沉降与位移数据，识别结构受力薄弱环节；结果验证需将分析结果与相关规范要求、工程经验数据进行对比，验证模型的合理性与分析结果的可靠性，若结果偏差较大，需调整模型参数或边界条件并重新进行分析。

三、基于有限元分析的深基坑围护结构优化设计策略

（一）基于受力特性的结构参数优化策略

基于有限元分析的受力特性，可针对性开展围护结构参数优化。通过分析不同截面尺寸、入土深度等参数下围护结构的应力与位移分布规律，确定参数与结构力学性能的内在关联，在满足应力与变形限值要求的前提下，优化构件参数，降低材料用量。对于受力不均匀的部位，可通过局部增强参数或调整结构形式，提升结构受力合理性；对于支撑体系，可根据有限元分析得出的荷载分布结果，优化支撑间距与截面尺寸，确保支撑体系受力均衡，提升整体承载能力。

（二）结合周边环境的防护优化策略

结合有限元分析对周边环境影响的模拟结果，可制定针对性的防护优化策略。通过分析围护结构变形与周边建筑物、地下管线的位移响应关系，明确围护结构变形的控制阈值，优化设计方案以将变形控制在允许范围内。若模拟结果显示周边环境可能受到较大影响，可通过增加围护结构刚度、优化支撑布置、增设止水帷幕等措施，减少结构变形与地下水渗流对周边环境的不利影响，实现工程施工与周边环境安全的协同保障。

（三）考虑施工全过程的动态优化策略

基于有限元分析的施工全过程模拟，可实施动态优化设计策略。根据不同施工阶段的力学响应分析结果，识别各阶段的主要风险点，调整施工顺序与设计参数。在基坑开挖阶段，若模拟发现某一开挖深度下结构位移过大，可优化开挖分层厚度与开挖速度，提前增设临时支撑；在支撑安装阶段，可根据分析结果优化支撑安装时机与预应力施加值，确保支撑体系及时发挥作用。同时，结合施工过程中的监测数据，动态调整有限元模型参数，实现设计方案的动态优化。

结束语

基于有限元分析的深基坑工程围护结构优化设计，是提升深基坑工程设计科学性、安全性与经济性的关键途径。本文通过对有限元分析的应用基础、围护结构优化设计核心内容与分析流程以及优化设计策略的分析，明确了该领域的核心要点与实施方向。当前，有限元分析技术在深基坑围护结构设计中的应用已较为广泛，但在复杂地质条件下的模型精准度、施工全过程动态优化等方面仍存在提升空间。未来，需进一步完善有限元分析模型，融合更多工程实际影响因素，加强分析结果与现场监测数据的联动，推动优化设计从静态分析向动态精准优化转变。

参考文献

[1]王在军.敏感环境条件下深基坑开挖对邻近地铁结构影响分析[J].工程建设,2025,57(11):43-49.

[2]马得莲.考虑渗流影响的超深基坑开挖变形分析[J].科技创新与应用,2025,15(30):55-58+63.

[3]赵永进.市政工程深基坑支护结构稳定性数值模拟分析[J].四川水泥,2025,(10):77-79.