巖土工程數(shù)值分析課程

課程名稱 巖土工程數(shù)值分析課程...............................................................................前言 巖土工程數(shù)值分析的研究現(xiàn)狀 巖土數(shù)值分析中的關(guān)鍵問(wèn)題 GTS在巖土工程數(shù)值分析中的應(yīng)用 第2章滲流作用下的二維邊坡穩(wěn)定分析 工程概況 物理參數(shù)的選取 模型的建立 計(jì)算結(jié)果分析 第3章預(yù)應(yīng)力邊坡加固分析 工程概況 物理參數(shù)的選取 模型的建立 計(jì)算結(jié)果分析 第四章 工程概況 物理參數(shù)的選取 模型的建立 計(jì)算結(jié)果分析 第五章三坑開(kāi)挖階段水滲流分析 工程概況 物理參數(shù)的選取 模型的建立 計(jì)算結(jié)果分析 第六章巖土工程數(shù)值分析學(xué)習(xí)體會(huì) 巖土工程數(shù)值分析課程前言巖土工程數(shù)值分析的研究現(xiàn)狀在巖土工程領(lǐng)域，巖土問(wèn)題是十分復(fù)雜的，例如在很多日常生活中的實(shí)際工程問(wèn)題中，如擋土墻、板樁、基礎(chǔ)梁和板等工程以及像三峽工程和南水北調(diào)等大型工程中的巖土問(wèn)題。由于巖土體的復(fù)雜性和對(duì)巖土介質(zhì)的物理力學(xué)特性正確認(rèn)識(shí)的，利用簡(jiǎn)單的幾何形體和彈塑性本構(gòu)關(guān)系建立的力學(xué)模型來(lái)模擬這種復(fù)雜的過(guò)程與現(xiàn)象，難免失去巖土的固有特性，因此在多數(shù)情況下不能獲得解析解，巖土工程設(shè)計(jì)的可靠性和施工方案的合理性很難把握。在這種情況下，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用，巖土數(shù)值計(jì)算方法應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)極限分析方法是一種可靠的工程力學(xué)方法，通過(guò)多種依據(jù)，證明了極限分析法的可靠性，對(duì)巖土材料有足夠的計(jì)算精度。論證了當(dāng)只求材料的極限承載力和安全系數(shù)時(shí)，它與本構(gòu)無(wú)關(guān)，簡(jiǎn)便計(jì)算。但傳統(tǒng)極限分析法需要事先知道破壞面，無(wú)法求解復(fù)雜問(wèn)題。數(shù)值極限分析方法的原理與傳統(tǒng)極限分析法是一致的，只是計(jì)算方法不同，后者運(yùn)用彈塑性數(shù)值計(jì)算直至達(dá)到破壞，自動(dòng)形成破壞面，既能求出材料安全系數(shù)，又能求出破壞形態(tài)。數(shù)值極限分析方法有廣泛的適用性，應(yīng)用前景廣闊。不過(guò)數(shù)值極限分析方法目前還處在初始研究階段，有許多地方還有待改進(jìn)、完善。關(guān)鍵是如何對(duì)各種復(fù)雜情況下的破壞問(wèn)題提供準(zhǔn)確、方便和明顯的破壞判據(jù)。對(duì)應(yīng)變軟化巖土材料還需通過(guò)嚴(yán)格的試驗(yàn)驗(yàn)證其適用性。巖土數(shù)值分析中的關(guān)鍵問(wèn)題巖土工程分析中人們常常將用簡(jiǎn)化的物理模型去描述復(fù)雜的工程問(wèn)題，再將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題并用數(shù)學(xué)方法求解。對(duì)一具體工程問(wèn)題，根據(jù)具體的邊界條件和初始條件求解上述方程即可得到解答，對(duì)復(fù)雜的工程問(wèn)題，一般需采用數(shù)值分析法求解。對(duì)不同的工程問(wèn)題采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型求解，所用的運(yùn)動(dòng)微分方程式和幾何方程是相同的，不同的是本構(gòu)方程、邊界條件和初始條件巖土工程中最關(guān)鍵的問(wèn)題是解決位移計(jì)算問(wèn)題，大量工程問(wèn)題都由變形控制，這些問(wèn)題與巖土本構(gòu)有關(guān)，十分復(fù)雜，需要從巖土塑性理論、試驗(yàn)方法與試驗(yàn)驗(yàn)證幾個(gè)方面協(xié)同發(fā)展加以解決。GTS在巖土工程數(shù)值分析中的應(yīng)GTS(GeotechnicalandTunnelysisSystem)是由MIDASIT結(jié)構(gòu)公司開(kāi)發(fā)的巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元。該將通用的有限元分析內(nèi)核與巖土隧道結(jié)構(gòu)的專業(yè)性要求有機(jī)的結(jié)合在一起，集合了目前巖土隧道的優(yōu)點(diǎn)。例如模擬埋深較大的隧道時(shí)，將上部覆土高度內(nèi)的巖土都用有限元網(wǎng)格來(lái)模擬是不經(jīng)濟(jì)的。此時(shí)可模擬適當(dāng)范圍內(nèi)的巖土，將上部覆土按外部荷載輸入也是比較經(jīng)濟(jì)的方法。使用有限元方法模擬巖土?xí)r，用戶應(yīng)對(duì)有限元的理論和分析方法具有一定程度的了解，這樣在模擬巖土?xí)r才能合理地簡(jiǎn)化模型。另外應(yīng)根據(jù)分析的目的選擇單元的類型以及確定模型的范圍。在設(shè)計(jì)中如果關(guān)心的是位移則可以將單元尺寸建的大一些；如果關(guān)心的是應(yīng)力或支護(hù)的內(nèi)力，則應(yīng)該將模型單元細(xì)分一些。但是像安全鑒定等探討巖土結(jié)構(gòu)的安全性的問(wèn)題，因?yàn)橐紤]材料的非線性，則可以將模型建的小一些，外部邊界條件使用彈簧來(lái)模擬會(huì)更真實(shí)一些。做特征值分析時(shí)，為了避免產(chǎn)生局部振型，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化模型。特別是在初步設(shè)計(jì)階段(preliminarydesignphase)可從簡(jiǎn)單的模型開(kāi)始分析，逐漸增加復(fù)雜度直到得到比較理想的結(jié)果。該軟還包括了非線性彈塑性分析、非穩(wěn)定滲流分析、施工階段分析、滲流——應(yīng)力耦合分析、固結(jié)分析、、動(dòng)力分析等幾乎所有分析功能的通用分析軟件。GTS不僅具備巖土分析所需的基本分析功能，是巖土和隧道分析與設(shè)計(jì)的最佳解決方案之一。2章滲流作用下的二維邊坡穩(wěn)定分析工程概況該邊坡為土質(zhì)邊坡，受滲流作用的影響。邊坡高度約為20m,坡度約為450，建立長(zhǎng)為100m,高為60m幾何模型。物理參數(shù)的選取巖土體物理力學(xué)參數(shù)選取是影響坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要因素。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)和測(cè)繪、鉆探、原位測(cè)試以及室內(nèi)試驗(yàn),結(jié)合場(chǎng)地邊坡工程地質(zhì)條件及地方經(jīng)驗(yàn),綜合考慮選取了巖土體的物理力學(xué)參數(shù)。本次模型計(jì)算主要采用的物理力學(xué)參數(shù)為巖土體的容重(γ為20KN/m3、彈性模量(E)20000KN/m2、泊松比(μ)0.2、粘聚力(C)50KN/m2和內(nèi)摩擦角(φ)300。模型的建立邊坡巖土體的本構(gòu)模型采用修正莫爾——庫(kù)侖模型,是在莫爾——庫(kù)侖模型基礎(chǔ)上改善的,用于邊坡的材料本構(gòu)模型。根據(jù)所調(diào)研的物理參數(shù)定義該模型的屬性，根據(jù)該邊坡工程概況建立幾何模型，幾何模型如圖11邊坡模型由建立好的幾何模型劃分網(wǎng)格，定義網(wǎng)格組。添加模型的邊界條件，劃分邊界組，最后定義施工階段進(jìn)行工況分析。2建立的網(wǎng)格模型計(jì)算結(jié)果分析該邊坡模型的穩(wěn)定性計(jì)算考慮了滲流條件作用的影響，因此對(duì)該模型采用兩種工況分析：工況1滲流分析和工況2天然條件下的邊坡分析。模型計(jì)算的結(jié)果可由水平方向位移圖、總位移圖以及最大剪應(yīng)變圖表示。但是由于該邊坡為土質(zhì)邊坡，沿方向相對(duì)均勻,變化規(guī)律基本一致,同時(shí)為更清楚地顯示邊坡的位移變形規(guī)律,本文采用X—Z剖斷面相關(guān)圖來(lái)進(jìn)行分析邊坡穩(wěn)定性。3天然工況下X—Z剖斷面水平方向位移圖4天然工況下X—Z剖斷面總平方向位移圖5天然工況下X—Z剖斷面最大剪應(yīng)變圖6滲流作用下X—Z剖斷面水平方向位移圖7滲流作用下下X—Z剖斷面總位移云圖8滲流作用下X—Z剖斷面最大剪應(yīng)變圖3、4水平方向位移和總位移圖可以看出，由于受到表層土固結(jié)現(xiàn)象的影響，邊坡體表面的位移較小，在坡肩和和坡腳處相對(duì)較大，隨著土層的增加水平方向位移和總位移也在增加，而且，邊坡滑動(dòng)面的位移也相對(duì)較大。從圖5的最大剪應(yīng)變圖可以看出邊坡表面的最大前應(yīng)變相對(duì)較小，在坡頂和坡腳處相對(duì)較大，滑動(dòng)面附近的最大剪應(yīng)變最大，但由計(jì)算得到的安全系數(shù)可知，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。從6、7、8三個(gè)圖可以看到滲流增加了水平位移和總位移以及最大應(yīng)變的范圍，降低了邊坡的安全系數(shù)。在天然狀態(tài)下邊坡的安全系數(shù)為2.3875，而在滲流的作用下，邊坡的安全系數(shù)為1.7875。可見(jiàn)，滲流大大降低了邊坡的穩(wěn)定性。3章預(yù)應(yīng)力邊坡加固分析工程概況該邊坡為土質(zhì)邊坡，采用錨固裝置對(duì)邊坡進(jìn)行加固。邊坡高度約為40m,坡度約為450，建立長(zhǎng)120m,高為120m幾何模型。物理參數(shù)的選取本次模型計(jì)算主要采用的物理力學(xué)參數(shù)為巖土體的容重(γ為19KN/m3、彈性模量(E)20000KN/m2、泊松比(μ)0.3、粘聚力(C)35KN/m2和內(nèi)摩擦角(φ)360本構(gòu)模型采用摩爾—庫(kù)倫。錨固段彈性模量(E)20000000KN/m2、泊松比(μ)0.3、重量密度為78.5KN/m3，本構(gòu)模型采用彈性模型。模型的建立邊坡巖土體的本構(gòu)模型采用修正莫爾——庫(kù)侖模型,是在莫爾——庫(kù)侖模型基礎(chǔ)上改善的,用于邊坡的材料本構(gòu)模型。根據(jù)所調(diào)研的物理參數(shù)定義該模型的屬性，根據(jù)該邊坡工程概況建立幾何模型，幾何模型如圖11預(yù)應(yīng)力加固邊坡的幾何模型由建立好的幾何模型劃分網(wǎng)格，定義網(wǎng)格組。添加模型的邊界條件，劃分邊界組，添加集中荷載和分布荷載，對(duì)荷載進(jìn)行分組，最后定義施工階段進(jìn)行工況分析。2建立的網(wǎng)格模型計(jì)算結(jié)果分析3天然工況下X—Z剖斷面水平方向位移圖4預(yù)應(yīng)力加固下X—Z剖斷面水平方向位移圖5天然工況下X—Z剖斷面水平方向有效應(yīng)力圖6預(yù)應(yīng)力加固下X—Z剖斷面水平方向有效應(yīng)力圖7天然工況下X—ZZ方向有效應(yīng)力圖8預(yù)應(yīng)力加固下X—ZZ方向有效應(yīng)力圖9X—Z剖斷面最大剪應(yīng)變圖10預(yù)應(yīng)力加固下X—Z剖斷面最大剪應(yīng)變圖從圖3、4X—Z剖面的水平位移可以看出由于受到表層土固結(jié)現(xiàn)象的影響，邊坡體表面的位移較小，邊坡坡頂和破角度位移相對(duì)較大，由于滑動(dòng)面的帶動(dòng)，滑動(dòng)面附近的位移較大，預(yù)應(yīng)力加固的作用下降低了坡腳處的水平位移。5、6、7、8圖中的Z方向的有效應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的作用既有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力。由圖9、10可知最大剪應(yīng)變明顯減少，主要是由于在毛素加固的作用下，邊坡附近土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，使巖體最大剪應(yīng)變減小，提高土體的強(qiáng)度。天然工況下邊坡的安全系數(shù)為1.7625，預(yù)應(yīng)力加固下的邊坡的安全系數(shù)為1.6875，預(yù)應(yīng)力加固提高了邊坡的穩(wěn)定性。第四章二維路堤施工階段分析工程概況有一路堤，寬為40m，高9m。有四個(gè)土層，第一土層為粉質(zhì)粘土，第二土層為粘土，第三土層為粉砂，回填土層為砂?，F(xiàn)建立一個(gè)長(zhǎng)100m，高39m的模型。物理參數(shù)的選取本次模型計(jì)算中有四個(gè)土層，四個(gè)土層的物理參數(shù)相同。主要采用的物理力(γ)為17KN/m3、(E)為1000000KN/m2、泊松比(μ)為0.35、粘聚力20kpa，摩擦角200，粘土的容重(γ)16KN/m3、彈性模量(E)600000KN/m2、泊松比(μ)0.35、粘聚力30kpa，摩擦角100，粉砂的容重(γ)18KN/m3、彈性模量(E)為2000000KN/m2、泊松比(μ)0.310kpa300，砂容重(γ)18KN/m3、彈性模量(E)3000000KN/m2、泊松比(μ)0.3、粘聚力10kpa，摩擦角330模型的建立邊坡四個(gè)土層土體和三個(gè)回填土層的本構(gòu)模型采用采用莫爾—庫(kù)倫模型,根據(jù)所調(diào)研的物理參數(shù)定義該模型的屬性，根據(jù)該邊坡工程概況建立幾何模型，幾何模型如圖11路堤的幾何模型由建立好的幾何模型劃分網(wǎng)格，定義網(wǎng)格組，添加邊界條件，劃分邊界組，最后定義施工階段，定義四個(gè)施工階段，進(jìn)行工況分析。2路堤的網(wǎng)格模型計(jì)算結(jié)果分析3第一階段整體坐標(biāo)XY方向總位移4第二階段整體坐標(biāo)XY方向總位移5第三階段整體坐標(biāo)XY方向總位移6第四階段整體坐標(biāo)XY方向總位移7第一階段路堤X方向的有效應(yīng)力8第二階段路堤X方向的有效應(yīng)力9第三階段路堤X方向的有效應(yīng)力10第四階段路堤X方向的有效應(yīng)力從圖3、4、5、6路堤四個(gè)施工階段的總位移可以看出路堤底部中心處的XY總移隨施工階段的不斷地增加，在路堤周圍的XY位移相對(duì)較大。從圖7、8、9、10四個(gè)路堤X方向的有效應(yīng)力可以看出在第一階段回填土第一層的水平有效應(yīng)力最大，隨后相對(duì)穩(wěn)定，隨著施工的進(jìn)行路堤的中心部位的水平有效應(yīng)力和路堤與地基的交接處的水平有效應(yīng)力相對(duì)較大。第五章三坑開(kāi)挖階段水滲流分析工程概況在土體中分兩步開(kāi)挖一個(gè)寬6m6m的基坑，，建立長(zhǎng)30m20m、深18m的模型，基坑共有四個(gè)土層。物理參數(shù)的選取本次模型計(jì)算中有四個(gè)土層，四個(gè)土層的物理參數(shù)相同。主要采用的物理力學(xué)參數(shù)為巖土體的容重(γ)25KN/m3、彈性模量(E)2000000KN/m2、泊松比(μ)0.5。模型的建立邊坡四個(gè)土層土體的本構(gòu)模型采用采用彈性模型,根據(jù)所調(diào)研的物理參數(shù)定義該模型的屬性，根據(jù)該邊坡工程概況建立幾何模型，幾何模型如圖1圖1三坑開(kāi)挖階段的幾何模型由建立好的幾何模型劃分網(wǎng)格，定義網(wǎng)格組，將網(wǎng)格擴(kuò)展位三維網(wǎng)格模型。添加模型的水頭邊界條件，劃分邊界組，最后定義施工階段，定義四個(gè)施工階段，進(jìn)行工況分析。圖2三坑開(kāi)挖階段的網(wǎng)格模型計(jì)算結(jié)果分析3第一階段空隙水壓力4第四階段空隙水壓力5第四階段XYZ方向滲流流速6第四階段流速水頭等值線由于不存在差，開(kāi)挖前基坑內(nèi)外土體處于相對(duì)狀態(tài)?？障端畨毫Ψ謱臃植迹w沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。在沒(méi)有進(jìn)行開(kāi)挖產(chǎn)生壓力水頭的情況下，基坑內(nèi)水體的滲流壓力來(lái)自外界水源?；娱_(kāi)挖后造成了坑內(nèi)外產(chǎn)生水頭差，在水頭壓力的作用下，坑外水體向坑內(nèi)發(fā)生滲流，如圖4，在靠近基坑處的空隙水壓力最大，滲流流速在基坑下層逐漸下降。第六章巖土工程數(shù)值分析學(xué)習(xí)體會(huì)隨著計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和能力的飛速發(fā)展以及計(jì)算方法的日益完善，數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為研究未知領(lǐng)域的強(qiáng)有力的工具。特別是有限元的發(fā)展，促進(jìn)了巖土工程研究、工程、優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等的發(fā)展。但也存在著一些問(wèn)題：些人因缺乏對(duì)有限元和工程性質(zhì)的深入了解，而有限元的發(fā)展又是如此的迅速，以至于認(rèn)為它是萬(wàn)能的，可以處理幾乎所有的巖土工程問(wèn)題；同時(shí)他們又被有限元計(jì)算結(jié)果的精度所迷惑，不了解這些精