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 計算結(jié)果分析 第五章三坑開挖階段水滲流分析 工程概況 物理參數(shù)的選取 模型的建立 計算結(jié)果分析 第六章巖土工程數(shù)值分析學(xué)習(xí)體會 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，巖土問題是十分復(fù)雜的，例如在很多日常生活中的實際工程問題中，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題。由于巖土體的復(fù)雜性和對巖土介質(zhì)的物理力學(xué)特性正確認(rèn)識的，利用簡單的幾何形體和彈塑性本構(gòu)關(guān)系建立的力學(xué)模型來模擬這種復(fù)雜的過程與現(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，伴隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用，巖土數(shù)值計算方法應(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，通過多種依據(jù)，證明了極限分析法的可靠性，對巖土材料有足夠的計算精度。論證了當(dāng)只求材料的極限承載力和安全系數(shù)時，它與本構(gòu)無關(guān)，簡便計算。但傳統(tǒng)極限分析法需要事先知道破壞面，無法求解復(fù)雜問題。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，只是計算方法不同，后者運(yùn)用彈塑性數(shù)值計算直至達(dá)到破壞，自動形成破壞面，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)鍵是如何對各種復(fù)雜情況下的破壞問題提供準(zhǔn)確、方便和明顯的破壞判據(jù)。對應(yīng)變軟化巖土材料還需通過嚴(yán)格的試驗驗證其適用性。巖土數(shù)值分析中的關(guān)鍵問題巖土工程分析中人們常常將用簡化的物理模型去描述復(fù)雜的工程問題，再將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題并用數(shù)學(xué)方法求解。對一具體工程問題，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，對復(fù)雜的工程問題，一般需采用數(shù)值分析法求解。對不同的工程問題采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型求解，所用的運(yùn)動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)鍵的問題是解決位移計算問題，大量工程問題都由變形控制，這些問題與巖土本構(gòu)有關(guān)，十分復(fù)雜，需要從巖土塑性理論、試驗方法與試驗驗證幾個方面協(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。例如模擬埋深較大的隧道時，將上部覆土高度內(nèi)的巖土都用有限元網(wǎng)格來模擬是不經(jīng)濟(jì)的。此時可模擬適當(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)的安全性的問題，因為要考慮材料的非線性，則可以將模型建的小一些，外部邊界條件使用彈簧來模擬會更真實一些。做特征值分析時，為了避免產(chǎn)生局部振型，應(yīng)盡量簡化模型。特別是在初步設(shè)計階段(preliminarydesignphase)可從簡單的模型開始分析，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)定性評價的重要因素。經(jīng)過現(xiàn)場工程地質(zhì)和測繪、鉆探、原位測試以及室內(nèi)試驗,結(jié)合場地邊坡工程地質(zhì)條件及地方經(jīng)驗,綜合考慮選取了巖土體的物理力學(xué)參數(shù)。本次模型計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——庫侖模型,是在莫爾——庫侖模型基礎(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)格模型計算結(jié)果分析該邊坡模型的穩(wěn)定性計算考慮了滲流條件作用的影響，因此對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，沿方向相對均勻,變化規(guī)律基本一致,同時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，邊坡滑動面的位移也相對較大。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)變相對較小，在坡頂和坡腳處相對較大，滑動面附近的最大剪應(yīng)變最大，但由計算得到的安全系數(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?？梢?，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，采用錨固裝置對邊坡進(jìn)行加固。邊坡高度約為40m,坡度約為450，建立長120m,高為120m幾何模型。物理參數(shù)的選取本次模型計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——庫侖模型,是在莫爾——庫侖模型基礎(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較大，由于滑動面的帶動，滑動面附近的位移較大，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。現(xiàn)建立一個長100m，高39m的模型。物理參數(shù)的選取本次模型計算中有四個土層，四個土層的物理參數(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土層土體和三個回填土層的本構(gòu)模型采用采用莫爾—庫倫模型,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，定義四個施工階段，進(jìn)行工況分析。2路堤的網(wǎng)格模型計算結(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位移相對較大。從圖7、8、9、10四個路堤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)力相對較大。第五章三坑開挖階段水滲流分析工程概況在土體中分兩步開挖一個寬6m6m的基坑，，建立長30m20m、深18m的模型，基坑共有四個土層。物理參數(shù)的選取本次模型計算中有四個土層，四個土層的物理參數(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，定義四個施工階段，進(jìn)行工況分析。圖2三坑開挖階段的網(wǎng)格模型計算結(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，開挖前基坑內(nèi)外土體處于相對狀態(tài)?？障端畨毫Ψ謱臃植?，水體沒有相對運(yùn)動的趨勢。在沒有進(jìn)行開挖產(chǎn)生壓力水頭的情況下，基坑內(nèi)水體的滲流壓力來自外界水源。基坑開挖后造成了坑內(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)體會隨著計算機(jī)的計算速度和能力的飛速發(fā)展以及計算方法的日益完善，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)計和計算機(jī)輔助設(shè)計等的發(fā)展。但也存在著一些問題：些人因缺乏對有限元和工程性質(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)為它是萬能的，可以處理幾乎所有的巖土工程問題；同時他們又被有限元計算結(jié)果的精度所迷惑，不了解這些精