【基于MIDAS-GTS NX的基坑受力變形信息化監測數值模擬分析案例8600字】

基于MIDAS-GTSNX的基坑受力變形信息化監測數值模擬分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9931基于MIDAS-GTSNX的基坑受力變形信息化監測數值模擬分析案例 156141.1MTDAS/GTSNX簡介 1168481.2土的本構模型的選取 2119011.3MIDAS/GTSNX計算模型的建立 5171301.3.1建立計算模型 5133031.3.2材料參數 7237441.3.3開挖過程模擬 765941.4數值模擬計算結果分析 8315111.4.1地連墻位移分析 847961.4.2地下連續墻環向應力 12191531.4.3周圍土體位移分析 13204051.5影響因素分析 15315061.1.1墻體厚度的影響 15180581.1.2墻體彈性模量的影響 17185341.1.3土體彈性模量的影響 19284701.6模擬結果與現場監測結果的對比 21107681.6.1圍護結構徑向位移對比分析 2136701.6.2周圍土體變形分析對比 221.1MTDAS/GTSNX簡介MIDAS是由韓國POSCO公司，于1989年研制而成的一款有限元分析軟件。由于其是POSCO集團的CAD/CAE研發部門工程師研制而成，具有較多CAD的影子，如界面操作類似CAD可以幫助用戶快速的適應界面，同時快速準確的網格劃分幫助更快完成模型的建立，優秀的前后處理功能使得計算結果的準確度更高，分析結果導出的圖形更加美觀大方，因此一經發布就在土木工程領域得到了廣泛的應用。自2002年被引進入中國市場，就引起了國內工程師的廣泛關注。Midas國內市場主要涉及巖土（MIADS/GTS），橋梁（MIDAS/CIVIL）和建筑結構（MIADS/BULIDING,GEN）三個不同的領域，進入中國后，深度本土化，參考中國用戶的使用習慣再次加工，讓MIDAS系列軟件更加適合中國用戶，并廣泛應用于結構、橋梁、巖土、隧道滑坡的設計工程中。同時具有漢化界面、交互式操作、強大的可視化模塊等優勢（于斌，2016）。其中在巖土領域中MIDAS/GTS得到了廣泛的應用，目前已經是巖土工程領域重要的模擬分析軟件之一。MIDASGTS能夠快速完成“巖土隧道結構”的建模與分析，軟件易學易用，能夠在短時間快速摸清基本操作流程。程序提供有限元的應力、動力、滲流、以及應力-滲流耦合分析、邊坡穩定分析、襯砌分析和設計功能，并提供摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）、修正莫爾-庫倫（ModifiedMohr-coulomb）、鄧肯-張（Duncan-Chang）、修正劍橋（CamClay）等14種本構及用戶自定義本構模型，能滿足絕大部分工程分析要求（李輝等，2011）。MIDAS/GTS能夠很好的模擬多種單元，單元庫中有巖土單元，包含平面應變、軸對稱、實體等單元。結構單元，包含桁架、植入式桁架、梁、平面應力、板等單元；以及特殊單元，包括僅顯示、接觸、樁、樁端、土工格柵、測量板、彈簧、彈性連接、剛性連接、內插等單元。尤其在基礎工程中，該分析軟件能夠將周圍土體與結構綜合考慮，使得分析的結果更加準確，更為真實的模擬現場實際情況。當周圍水系比較發達或該區域降水較多時，可以考慮土水耦合作用下的應力應變。該程序可用荷載條件包括自重、壓力、強制位移、自動生成水壓力、溫度、預應力、初始應力、反應譜等荷載。邊界條件主要包括釋放梁、板端部約束、自動生成靜力或動力分析邊界條件、焊接接觸等邊界條件。MIDAS/GTS的分析功能支持線性、非線性靜力分析和施工階段分析。使用者可以查看模型計算的各種結果如云圖、等值線和圖表等，并且可以個性化定義字體、背景和顏色等對計算結果進行調整演示。該軟件還可以將運算數據導出MS-Excel進行分析。實際工程中該程序還提供便捷的幾何建模功能、地形生成器、隧道建模助手、錨桿建模助手以及豐富的后處理結果；廣泛的應用于地下結構、巖土、水工、地質、礦山、隧道等方面的分析及科研。成為了巖土行業主流的分析與設計軟件。隨著行業的發展，GTS也不斷的進行新技術的發展及完善。1.2土的本構模型的選取MIDAS/GTSNX進行數值模擬時首先需要根據不同的建模需求建立不同的土材料的本構模型，確定土的抗剪強度參數，即確定破壞準則（沈珠江,1981;時衛民等，2003）。而在工程的生產實踐常常廣泛運用破壞準則為莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）破壞準則，如圖5-1所示。對于本文的基坑開挖數值模擬，擬采用剪切破壞模型莫爾-庫倫本構模型。他是一個巖土工程常用的土體參數的非線性模型。1776年法國科學家庫倫（C.A.Coulomb）總結土的破壞現象和影響因素，提出土的破壞公式為：對于砂土，普遍的表達式：（5-1）對于粘性土，普遍的表達式：（5-2）以上兩式統稱為庫倫定律；也稱為總應力抗剪強度公式。式中：破壞面上的切向應力；有效內摩擦角--有效粘聚力破壞面上法向應力圖5-1摩爾-庫倫屈服準則后來，莫爾繼續庫倫的早期研究工作，提出材料的破壞是剪切破壞的理論，認為在破裂面上，法向應力與抗剪強度之間存在著函數關系，即：。這個函數定義的曲線，稱為莫爾破壞包線，或抗剪強度包線，如圖5-2所示。圖5-2Mohr-Coulomb抗剪強度包絡線莫爾通過強度達到破壞時，構建承載的極限應力狀態下的應力圓，得到與多個應力圓相切的函數直線，直線表達式為：（5-3）除土體外，基坑其他部件如支護擋墻，內支撐等建模過程中，根據需要會用到廣義胡可（Hooke）定律：（5-4）在有限元計算中，彈性單元體應力矢量及應變矢量可表示為和：，應力、應變矢量的數學關系表達式為：（5-5）其中彈性模量可用線性代數中矩陣表示為：（5-6）（5-7）（5-8）1.3MIDAS/GTSNX計算模型的建立首先應該根據擬建的結構單元類型與土層特性，選取符合度較高的本構模型，并且合理確定材料參數和特征參數。當設置完材料屬性參數后，進行幾何模型的建立。對于一些結構比較簡單的模型，可以通過先生成點，然后由點組合成線，再由線組合成面，最后將面組合成三維實體的順序來生成。當模型較為復雜時可以通過將DXF文件，導入MIDAS/GTS中進行自動的線框檢查，簡化建模的工作量，縮短時間提高效率。當幾何模型完成后，將進行網格的劃分和結構單元的建立，可以通過軟件內置程序來自動劃分網格，將大的面化成較小的網格，這時可利用析取和延伸命令來讓網格更加耦合。網格劃分后，需要對結構施加各種荷載和設置不同的邊界條件，再定義施工階段，通過定義初始地應力場后，通過運算可以求得結構的外荷載進一步可以求得土的抗剪強度。運用MIDAS/GTS模擬基坑工程中土體的開挖和支護結構的施做時，通過數據的“鈍化”和“激活”來實現。通過“數據鈍化”模擬基坑土方的開挖，運用“數據激活”來模擬支護結構的施做。緊接著進行添加分析工況這一步，當模型為基坑工程時可選擇“施工階段”的分析類型，同時在建模時應該將“應力分析初始階段”和“K0條件”兩選項進行勾選。然后點擊“求解”進行計算分析，當計算完成后可以進行選擇查看圖表、云圖或表格數據等。1.3.1建立計算模型該錨碇深基坑圍護結構為圓形地連墻加內襯的形式，該地下連續墻內徑為61m，厚度為1.5m，內襯厚度從上向下依次為15m深度內厚1.0m，15~30m深度內厚1.5m，30~49.5m深度內厚2.5m。由于該基坑內襯厚度變化較大，同時深度較深常規的二維模型分析具有一定局限性，根據前期收集的場地勘察資料，施工日志和監測資料等來看，可以建立三維模型模擬對該基坑工程進行分析。在進行建模時考慮周圍土體對結構的影響，根據經驗，模型水平向影響范圍取為開挖深度的3-5倍，但考慮到本工程周圍建筑物，地下管線較為復雜，本模型基坑長寬均取為430m。影響深度一般為開挖深度的2-4倍，也需要考慮基坑周圍環境和地層條件等條件綜合來確定影響范圍，本文深度取200m。對于計算的邊界條件，需按照開挖后圍護結構受力不再產生變位影響的邊界為基本原則。該模型的邊界條件為圓形側面施加水平約束條件，上邊界為自由邊界，底面施加豎向約束條件。網格大越細計算的準確性就越高，避免產生奇異現象，但隨之而來也會產生較大的運算成本。本文根據實際情況，按距離圍護結構的遠近，取為不同的網格大小，距離地連墻體越遠網格就越稀疏。本模型合計137149個網格節點，244298個計算單元，如圖5-3、5-4所示。圖5-3模型整體視圖圖5-4圓形地連墻模型1.3.2材料參數根據場地勘察的資料可知，該錨碇基坑所在的南岸覆蓋層主要為第四系全新統沖洪積（Q4al＋pl）粉質黏土、粉土、淤泥質粉質黏土（厚度19.05~-4.75米，各土層厚度變化顯著），細砂、中砂、卵石（厚度-2.37~-32.25米，細沙層厚度較大），下伏基巖主要為白堊-第三系（K-Rdn）泥質粉砂巖、泥巖（厚度-27.17~-54.56米，巖面起伏大）。模擬分析將土層簡化為各土層水平方向為均勻分布，各層力學參數如下5-1表所示。表5-1地層參數土層編號土層名稱厚度γE泊松比ν抗剪強度參數/m/(kN·m-3)/MPa/1c/kPaφ/(°)1雜填土0.518.8120.351052粉質黏土1.618.6180.3118.89.93淤泥質粉質黏土8.218.0140.3512.39.84粉砂1.518.5180.310205細砂12.219200.30246中砂17.219.5480.30287卵石2.820.5800.30358強風化泥質粉砂巖1.9244000.350309中風化泥質粉砂巖11.721.540000.24803210微風化泥質粉砂巖50.426200000.215035地連墻在圍護結構中其主要作用混凝土強度等級取C35，彈性模量E為31.5MPa，內襯強度相比較小取C30，泊松比取0.2，E為30MPa，具體參數詳見下表5-2所示。表5-2混凝土參數部件名稱混凝土強度等級E泊松比ν抗剪強度參數/MPa/1c/kPaφ/（°）地下連續墻C3531.50.226056內襯C30300.2230551.3.3開挖過程模擬該錨碇基坑工程主要為基坑土方的開挖與內襯的施做，首先建立圓形地連墻模型，確定本構模型和邊界條件，賦值土體參數。其次模擬初始地應力場，初始地應力是由于地層土體在長期自重應力作用下固結達到穩定的平衡狀態其模擬的準確與否，將影響著計算結果的精確度。最后在模擬因土層開挖引起的位移時將土體的初始位移歸為零，根據該工程實際的土方開挖和內襯施作順序進行運算模擬。通過MIDAS/GTSNX有限元模擬基坑開挖時，各施工工況如表5-3所示。表5-3施工工序施工階段開挖標高/m工況施工階段開挖標高/m工況階段0地連墻施工內襯施工階段117~14第一層土方開挖階段10-10~-13第十層土方開挖內襯施工內襯施工階段214~11第二層土方開挖階段11-13~-16第十一層土方開挖內襯施工內襯施工階段311~8第三層土方開挖階段12-16~-19第十二層土方開挖內襯施工內襯施工階段48~5第四層土方開挖階段13-19~-22第十三層土方開挖內襯施工內襯施工階段55~2第五層土方開挖階段14-22~-25第十四層土方開挖內襯施工內襯施工階段62~-1第六層土方開挖階段15-25~-28第十五層土方開挖內襯施工內襯施工階段7-1~-4第七層土方開挖階段16-28~-31第十六層土方開挖內襯施工內襯施工階段8-4~-7第八層土方開挖階段17-31~-32.8第十七層土方開挖階段9-7~-10第九層土方開挖內襯施工1.4數值模擬計算結果分析1.4.1地連墻位移分析基坑工程中，圍護結構的變形情況對基坑的安全和穩定起著十分重要的作用。隨著基坑的開挖，基坑內側土體挖出，內側被動土壓力減小，使得圍護結構兩側土壓力差增大，在較大的壓力差下，圍護結構可能產生較大的變形影響基坑的安全。對于該錨碇基坑來說，圓形地連墻體變形量大小是衡量結構安全穩定的一個重要因素。軟件模擬基坑開挖中地連墻墻體變形，如圖5-5~5-12所示。圖5-5工況一地下連續墻水平向位移云圖圖5-6工況五地下連續墻水平向位移云圖圖5-7工況九地下連續墻水平向位移云圖圖5-8工況十三地下連續墻水平向位移云圖圖5-9工況十五地下連續墻水平向位移云圖圖5-10工況十七地下連續墻水平向位移云圖圖5-12地下連續墻徑向位移模擬結果圖通過圖5-12可以看出，地連墻徑向位移的變形總體表現為“中間大，兩端小”的特點。隨著基坑的開挖，墻體徑向位移呈現逐漸增大的趨勢。最大位移值出現的位置隨著基坑開挖，呈現出從上往下移動的特點，并最終穩定在墻體的中部33m處。地連墻的最大徑向位移出現在圓形基坑第十七層土開挖完成后，最大徑向位移值為17.85mm，遠遠小于基坑監測預警值30mm。這也說明該圓形地連墻結構能很好的控制變形，為基坑穩定安全的開挖提供了堅實的基礎。1.4.2地下連續墻環向應力根據模型分析結果可知，地下連續墻的環向應力和徑向位移的變化規律類似，總體也是隨著基坑開挖深度的增加而增大。模擬表明，地連墻環向應力整體以壓應力為主，最大值出現的位置隨著開挖深度的增大而向下移動，最終的位置與地連墻水平最大位移出現的位置較為一致均為33m深度處。通過比較發現，地連墻環向應力較豎向應力明顯更大，這可能是與圍護結構的圓形“拱效應”密切相關，基坑地連墻在周圍土體開挖過程中能更好的平衡圍護結構兩側的水土壓力。下圖為基坑開挖到最后工況下的地連墻的XX方向應力大小，如圖5-13，5-14所示。圖5-13開挖結束時XX方向應力云圖圖5-14環向應力模擬結果1.4.3周圍土體位移分析基坑工程中，隨著坑內土體的開挖，不僅會圍護結構產生一定的變形影響，而且還會對周圍的土體產生擾動，使周圍土體產生一定的沉降變形，進而影響周圍建筑物的安全。特別是在一些超大，超深的基坑工程中，研究周圍土體的變形規律與基坑開挖之間的關系就顯得尤為重要。本文運用有限元模擬基坑開挖過程中周圍地表土體的沉降變形，模擬結果如下圖5-15、5-16所示。圖5-15開挖結束時位移地表位移剖面云圖圖5-16地表沉降變化模擬結果從圖5-15和5-16可以看出，地表沉降隨著基坑的開挖呈現逐漸增大的趨勢，當開挖結束時，即第十七層土開挖完成后地表沉降達到最大，周圍地表土體沉降呈現出類似“勺形”的變化規律。基坑周圍土體離基坑邊緣越近，受到的影響就越明顯，地表的沉降也就相對較大，地表最大沉降值出現在距離基坑邊30m處，最大位移值為10.72mm。而距離基坑越遠地表受到的影響就越不明顯，變化相對較小，且當土體相對基坑的距離超過100m后數值后基本穩定不變。可見基坑開挖對周圍土體的影響是處在一定范圍內的，模擬表明該工程主要影響范圍為約為2倍開挖深度，地表最大沉降出現的位置，約為0.5倍開挖深度。表明圍護結構對周圍土體的影響范圍相對較小，這得益于該基坑的圓形圍護形式，可以充分利用圍護結構的空間“拱效應”將部分水土壓力轉化為壓應力，利用混凝土良好的抗壓能力，減小圍護結構的變形，從而約束周圍地表土體的沉降。同時圓形結構形式可以更有利于坑外“土拱效應”的產生，進一步有利于減小周邊地表土體的沉降值。1.5影響因素分析基坑工程中，圍護結構的內力和變形受到各種因素的制約與影響，如場地的地質條件，開挖的深度和圍護結構的形狀尺寸等都會對結構應力應變產生影響，但各因素對結構的影響權重可能會有所差異，某些因素因素的變大變小可能會對結構的內力和變形產生較大的影響，而某些因素變化造成的影響可能相十分微小。因此，研究圍護結構對不同因素的敏感程度就顯得十分重要，通過對不同影響因素的研究，尋找出敏感性較大的變量進行研究，可以更好的反饋指導基坑的施工與設計，保障基坑工程的安全穩定。本文主要通過對地下連續墻的墻體厚度，墻體彈性模量和土體的力學參數變化來進行探析。1.1.1墻體厚度的影響基坑工程中圍護結構的厚度大小與結構的變形有著十分密切的關系，也是在設計基坑圍護結構時需要重點考慮的因素，其大小的變化，一方面關系著結構的基坑施工的安全；另一方面也影響著工程的造價。如果一昧將地下連續墻體增加較大厚度，雖然說能很好的控制變形，但從工程角度來說可能不是那么經濟，因此對不同的地連墻厚度進行模擬研究就顯得十分必要。本文主要對原設計地下連續墻厚度，進行增大或減小一定比例，通過不同的厚度變化來進行模擬研究。在原模型的基礎上，保持其它條件不變，只分別改變基坑模型中地連墻的厚度，模擬不同墻體厚底下圍護結構的受力規律和變形特點。原地下連續墻厚度設計為1.5m，模擬時分別減小和增大20%，和40%改變至0.9m，1.2m，1.7m，2.1m。模擬結果如下圖5-17所示。圖5-17墻厚對徑向位移的影響根據圖5-17可以看出，地下連續墻的徑向位移大小總體與墻厚成反比關系，墻體厚度越厚，徑向位移相對較小，而隨著墻體厚度的減小，徑向位移呈現增大的趨勢。當地連墻厚度從1.5m減小到1.2m時地連墻徑向位移由17.54mm增加到21.52mm,增幅約為22.69%，當墻厚進一步減小至0.9m時，徑向位移增加量為52.96%。而當連續墻厚度從1.5m增加至1.7m時，地連墻徑向位移減小幅度為19.5%，位移值減至14.12mm，當墻體厚度增加至2.1m時，位移減小到11.41mm，幅度為34.95%。從上面的模擬結果可以看出，地連墻厚度大小的選擇對工程來說十分重要，當地連墻體厚度減小時，徑向位移的變形呈現增大的趨勢，而位移的增大往往伴隨著內力的變化，可能會使得地連墻鋼混凝土結構變形過大，尤其使得混凝土出現開裂破壞，甚至對結構的安全穩定產生影響。而當厚度增大時，能在一定程度上減小徑向位移，使得基坑的徑向變形得到很好的控制，然而對于工程來說，常常希望在保障施工安全的條件下尋找更加經濟的方案，避免不必要經濟的浪費。圖5-18墻體厚度對環向應力的影響地連墻體厚度的變化對環向應力的影響，如圖5-18所示，可以看出當地連墻厚度從1.5m減小到1.2m時，地連墻環向應力由1.79Mpa增加到7.16mm,增幅約為23.66%，當墻厚進一步減小至0.9m時，環向應力增至8.99Mpa增加量為51.27%。而當連續墻厚度從1.5m增加至1.7m時，地連墻環向應力減小幅度為20.37%，位移值減至4.61Mpa，當墻體厚度增加至2.1m時，應力減小到3.66Mpa，幅度為36.79%。總體來說厚度的改變對環向應力還是有一定影響，在設計計算時需要綜合考慮墻厚的影響。1.1.2墻體彈性模量的影響在基坑工程的設計中，地下連續墻的彈性模量也是必須考量的一個因素，其取值的大小往往受到多種因素的影響，如現場實際的工程條件，混凝土的強度等級，地連墻體搭接情況等。因此對其的研究就顯得十分必要，此處通過有限元軟件模擬分析，圍護結構在不同彈性模量下的變形和受力情況。在進行模擬分析時，只改變地連墻體彈性模量的大小，保持其它條件與原模型一致。通過對原彈性模量分別增大和減小10%，20%，模擬分析結構的變形與受力情況，也即0.8E,0.9E,1.1E,1.2E四種彈性模量，模擬結果如圖5-19所示。圖5-19墻體彈性模量對徑向位移的影響通過圖5-19可以看出，地連墻的徑向位移總體隨著彈性模量的增大而呈現逐漸減緩的趨勢。當彈性模量增大1.1倍時，地連墻的徑向位移呈現減小的趨勢，從17.54mm減緩至11.97mm，減小了約8.95%，當進一步擴大原彈性模量至1.2倍時，地連墻的徑向位移變小了約11.22%，位移值減小至14.87mm。當對墻體彈性模量進行縮小時，總體徑向變形呈現增大的特點。當將模量減小至0.9倍時，徑向位移由17.54mm增加至19.24mm，增加約9.7%，當模量近一步變至原0.8倍時，徑向位移增加至21.48mm，增加幅度為22.46%。從上面的模擬結果可以看出彈性模量總體對結構的徑向位移影響幅度相對不大。在模擬分析時，通過對不同的地連墻體彈性模量進行取值，研究模量大小對徑向位移的影響，如圖5-20所示。通過模擬結果可以看出，總體上墻體彈性模量對徑向位移的影響不大，當模量增大到原取值的1.2倍時，環向應力由于1.79Mpa增加到6.21Mpa，增加幅度約為7.25%，而當模量減小至原取值的0.8倍時，應力減小至1.35Mpa幅度為7.6%。總的來說，當彈性模量的取值變化對環向應力有小幅度的影響。圖5-20墻體彈性模量對環向應力的影響1.1.3土體彈性模量的影響在實際工程中，對土體的彈性模量的研究是十分必要的，其取值的大小往往決定計算的準確性，但其取值往往受到多種因素的影響，場地勘察后所提供的地勘報告中，往往沒有直接提供土的彈性模量，再加上勘察過程中取點的偶然性和土層的復雜性，報告結果可能不能完全詳實的反應實際的土層狀況，因此合理的取值需要考慮許多因素。建模選取的彈性模量值也是根據相關經驗和文獻綜合確定。考慮到相同的圍護結構在不同的土彈性模量取值下可能產生不同的結果。本文選取將原彈性模量分別增加和減少10%，20%也即原來彈性模量的0.8倍，0.9倍，1.1倍，1.2倍，在保證原來模型不變的前提下，只將彈性模型依次改變，來模擬不同土體彈性模量下結構的受力和變形特點。其結果如下圖5-21所示。圖5-21土體彈性模量對徑向位移的影響根據模擬分析結果可知，總體來看當土體的彈性模量增大時，徑向位移呈現減小的趨勢，反之土體彈性模量減小時時，位移表現為相對增加，但增減的幅度很小，說明當彈性模量的變化范圍不是很大時，對徑向位移的影響不大，總體來看幾乎沒有影響，說明在進行土體彈性模量的選擇時，根據地勘報告提供的數據和相關經驗來確定是合理的，其結果具有一定的可靠性。在保持其它參數不