GTS公路隧道分析設計專題講解

巖土事業(yè)部：鄧成豪GTSNX公路隧道分析設計專題2015年12月17日midasGTSNX適用工程案例(隧道、樁基、管道、壩體、滲流、軟基處理、閘門、邊坡、基坑、泵站)GTSNX適用范圍：——地形復雜，用一些代表性剖面無法真實模擬現(xiàn)場條件時——地層沿縱向的分布變化較大，縱向分析結(jié)果影響橫向結(jié)果時，需要做空間分析補充計算——結(jié)構(gòu)縱橫向布置有交叉，無法忽略相互影響時——三維滲流、抗震等穩(wěn)定性分析時地下建筑結(jié)構(gòu)的設計計算方法一般分類我國設計計算方法一般分以下4類：工程類比法

（嚴格說并非計算方法）荷載結(jié)構(gòu)法：主動荷載、主動荷載+彈性抗力地層結(jié)構(gòu)法：共同承載，連續(xù)介質(zhì)理論。收斂限制法：屬地層結(jié)構(gòu)法，彈塑-粘性理論數(shù)值法、解析法可用于上列后3種方法的任意一種計算模型：平面模型、空間模型5荷載結(jié)構(gòu)法的定義荷載結(jié)構(gòu)法認為：

地層對結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在地下建筑結(jié)

構(gòu)上的荷載（包括主動地層壓力和被動地層抗

力）

以計算襯砌在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的

方法稱為荷載——結(jié)構(gòu)法，該方法有時又稱為

結(jié)構(gòu)力學法。荷載-結(jié)構(gòu)法的設計原理先給出地層對結(jié)構(gòu)的荷載（土、水壓力），再按結(jié)構(gòu)力學方法計算。關(guān)鍵是荷載的確定方法！

作用于隧道的混凝土襯砌的荷載有自重、松弛荷載、殘留水壓、溫度荷載及干燥收縮溫度荷載等，應當考慮地基條件、隧道截面的形狀和大小、施工方法、支護材料及混凝土襯砌的施工時期、防水及排水形式等荷載組合。1.自重

一般情況下，混凝土襯砌的自重按設計荷載考慮，在分析程序中被自動的考慮。

無筋混凝土的容重:Υc=23.5kN/m3

鋼筋混凝土的容重

:Υc=25.0kN/m32.土壓力/松弛荷載基于NATM的隧道設計時，雖然地基按支護材料作為基本，但在隧道中因預想不到的地壓的作用有引起隧道腹孔的變形和損傷的情況，需要考慮這些后“適用”松弛荷載。松弛荷載的大小需要考慮初應力、地基條件、隧道截面大小、隧道上部地基的厚度、挖掘施工法、挖掘方法、支護材料、混凝土襯砌的施工時期等。松弛荷載計算方法有彈性波不同速度松弛區(qū)域高度、基于RMR的支護荷載、基于ROSE修正的Terzaghi巖石荷載、基于日本道路園區(qū)設計要領(lǐng)的巖質(zhì)區(qū)分的松弛區(qū)域高度、基于爆破影響的松弛荷載等。

永久荷載分項系數(shù)：當永久荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應對結(jié)構(gòu)不利時，對由可變荷載效應控制的組合取1.2；對由永久荷載效應控制的組合，取1.35。當產(chǎn)生的效應對結(jié)構(gòu)有利時，取1.0當驗算傾覆、滑移或漂移時，取0.9?？勺兒奢d分項系數(shù)：一般情況下1.4；但對工業(yè)房屋的樓面結(jié)構(gòu)，當其活荷載大于4KN/m2時，取1.3.

相當于把圍巖簡化為一系列彼此獨立的彈簧（僅受壓），某一彈簧受到壓縮時所產(chǎn)生的反作用力只與該彈簧有關(guān)，而與其它彈簧無關(guān)。對于不同結(jié)構(gòu)或介質(zhì)，彈性抗力系數(shù)值不同，可根據(jù)實際經(jīng)驗或參考相關(guān)規(guī)范確定。襯砌模型梁巖土模型只受壓彈簧.Ks:地基彈簧系數(shù)Es/R:每單位切線長度的地基彈簧系數(shù)Es:周邊地基的彈性系數(shù)R:等效換算襯砌半徑

(R=√(A/π)

在實際工程中，平移支承通常用來模擬結(jié)構(gòu)下部樁(Pile)或地基的剛度。地基彈簧系數(shù)可使用地基基床系數(shù)(ModulusofSubgrade

Reaction)乘以相應節(jié)點的從屬面積(TributaryArea)計算而得，應該注意地基只能抵抗壓力的作用。如下圖所示，在邊長度為5m的兩個正方形單元邊界上建立面彈簧，當輸入100tonf/m3的地基反力系數(shù)時，第一個節(jié)點和最后一個節(jié)點的有效面積為2.5m2，中間節(jié)點的有效面積是5m2，彈簧剛度為地基反力系數(shù)乘以有效面積，自動計算的兩端節(jié)點和中間的彈簧剛度分別為250tonf/m、

500tonf/m

。?

曲面彈簧可以自動生成固定約束邊界條件，而彈性連接

還要自己手動生成。?

僅壓、僅拉彈簧不可以做施工階段分析，而一般彈簧可

以做施工階段分析。做施工階段分析時可采用一般彈簧

代替僅壓、僅拉彈簧：x向彈簧常量設為既定值，其余

彈簧常量設為0。?

做結(jié)構(gòu)荷載法分析時，用僅壓、僅拉彈簧要注意結(jié)構(gòu)是

不是非穩(wěn)定情況。要在合適的位置加一x向約束。與地層結(jié)構(gòu)法的區(qū)別地層結(jié)構(gòu)法：

把地下結(jié)構(gòu)與地層作為一個受力變形的整體，

按照連續(xù)介質(zhì)力學原理來計算地下建筑結(jié)構(gòu)以

及周圍地層的變形；

不僅計算出襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形，而且計算

周圍地層的應力，充分體現(xiàn)周圍地層與地下建

筑結(jié)構(gòu)的相互作用。與地層結(jié)構(gòu)法的區(qū)別地層結(jié)構(gòu)法：

由于地層結(jié)構(gòu)法相對荷載結(jié)構(gòu)法，充分考慮了

地下結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用。結(jié)合具體的

施工過程可以充分模擬地下結(jié)構(gòu)以及周圍地層

在每一個施工工況的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及周圍地層的

變形更能符合工程實際。因此，在今后的研究

和發(fā)展中地層結(jié)構(gòu)法將得到廣泛應用和發(fā)展。

適用性強（各種地層、洞室，非線性，施工過

程等）；缺點：本構(gòu)關(guān)系難以準確給出。輸入

參數(shù)不正確，則給出錯誤結(jié)果。土分析時的邊界約束條件:

一般巖土分析的地基約束如下圖所示，在左右兩側(cè)約束X方向的平動自由度在底部約束X、Z兩個方向的平動自由度。用戶手動定義巖土的約束條件較為繁瑣，因此建議使用“考慮所有單元網(wǎng)格組”選項，由程序自動搜索邊界生成合適的邊界條件。1.本構(gòu)模型的選取2.參數(shù)取值3.邊界范圍的確定4.荷載施加（超載、高地應力、爆破分析）5.復雜工況的實現(xiàn)（施工階段的定義）6.荷載分擔比率（LDF）7.初始地應力分析（K0）土體本構(gòu)/參數(shù)的選擇彈性

特雷斯卡范梅塞斯莫爾-庫侖德魯克-普拉格霍克-布朗鄧肯-張

D-minJardine模型修正莫爾-庫侖用戶自定義本構(gòu)橫向各向同性節(jié)理巖體應變軟化修正劍橋模型

參數(shù)取值說明?剛度增加：真實的土體，剛度在很大程度上依賴于應力水平，這就意

味著剛度通常隨著深度的增加而增加。?彈性模量說明：由于土體的非線性比較強，因此如下圖：土體的彈性

模量為紅色（切線模量），壓縮模量（割線模量，通過試驗原理可以

知道）為藍色。彈性模量肯定是大于壓縮模量的，這也是我們在計算

土體時，模型計算位移偏大的原因。因此我們在計算土體（尤其是軟

土）時，需要將彈性模量增大3-5倍。?對于巖體來說，由于破壞前變形近似于直線，切線模量和割線模量比

起來基本相同，因此檢測得到的數(shù)據(jù)也大致以彈性模量的形式出現(xiàn)。

但是由于巖體中存在著一些裂縫等等因素，影響到變形情況，降低整

體剛度，所以如果完全按照提供的數(shù)值計算，位移反而偏小，因此有

的時候計算時候需要降低彈性模量（在規(guī)范中也對于巖體受到破壞等

等因素影響考慮進去后，將圍巖分級）。?對于土體來說，計算的時候彈性模量需要增大，對于巖體彈性模量根

據(jù)實際情況需要降低邊界條件大小合理選取荷載施加（1）高地應力施加

（2）超載

（3）爆破荷載A.特征值分析

控制分析-動力-阻尼方法：系數(shù)計算，模式1、2下的周期B.時