岩土工程数值分析课程

课程名称 岩土工程数值分析课程...............................................................................前言 岩土工程数值分析的研究现状 岩土数值分析中的关键问题 GTS在岩土工程数值分析中的应用 第2章渗流作用下的二维边坡稳定分析 工程概况 物理参数的选取 模型的建立 计算结果分析 第3章预应力边坡加固分析 工程概况 物理参数的选取 模型的建立 计算结果分析 第四章 工程概况 物理参数的选取 模型的建立 计算结果分析 第五章三坑开挖阶段水渗流分析 工程概况 物理参数的选取 模型的建立 计算结果分析 第六章岩土工程数值分析学习体会 岩土工程数值分析课程前言岩土工程数值分析的研究现状在岩土工程领域，岩土问题是十分复杂的，例如在很多日常生活中的实际工程问题中，如挡土墙、板桩、基础梁和板等工程以及像三峡工程和南水北调等大型工程中的岩土问题。由于岩土体的复杂性和对岩土介质的物理力学特性正确认识的，利用简单的几何形体和弹塑性本构关系建立的力学模型来模拟这种复杂的过程与现象，难免失去岩土的固有特性，因此在多数情况下不能获得解析解，岩土工程设计的可靠性和施工方案的合理性很难把握。在这种情况下，伴随着计算机技术发展和广泛应用，岩土数值计算方法应运而生。传统极限分析方法是一种可靠的工程力学方法，通过多种依据，证明了极限分析法的可靠性，对岩土材料有足够的计算精度。论证了当只求材料的极限承载力和安全系数时，它与本构无关，简便计算。但传统极限分析法需要事先知道破坏面，无法求解复杂问题。数值极限分析方法的原理与传统极限分析法是一致的，只是计算方法不同，后者运用弹塑性数值计算直至达到破坏，自动形成破坏面，既能求出材料安全系数，又能求出破坏形态。数值极限分析方法有广泛的适用性，应用前景广阔。不过数值极限分析方法目前还处在初始研究阶段，有许多地方还有待改进、完善。关键是如何对各种复杂情况下的破坏问题提供准确、方便和明显的破坏判据。对应变软化岩土材料还需通过严格的试验验证其适用性。岩土数值分析中的关键问题岩土工程分析中人们常常将用简化的物理模型去描述复杂的工程问题，再将其转化为数学问题并用数学方法求解。对一具体工程问题，根据具体的边界条件和初始条件求解上述方程即可得到解答，对复杂的工程问题，一般需采用数值分析法求解。对不同的工程问题采用连续介质力学模型求解，所用的运动微分方程式和几何方程是相同的，不同的是本构方程、边界条件和初始条件岩土工程中最关键的问题是解决位移计算问题，大量工程问题都由变形控制，这些问题与岩土本构有关，十分复杂，需要从岩土塑性理论、试验方法与试验验证几个方面协同发展加以解决。GTS在岩土工程数值分析中的应GTS(GeotechnicalandTunnelysisSystem)是由MIDASIT结构公司开发的岩土与隧道结构有限元。该将通用的有限元分析内核与岩土隧道结构的专业性要求有机的结合在一起，集合了目前岩土隧道的优点。例如模拟埋深较大的隧道时，将上部覆土高度内的岩土都用有限元网格来模拟是不经济的。此时可模拟适当范围内的岩土，将上部覆土按外部荷载输入也是比较经济的方法。使用有限元方法模拟岩土时，用户应对有限元的理论和分析方法具有一定程度的了解，这样在模拟岩土时才能合理地简化模型。另外应根据分析的目的选择单元的类型以及确定模型的范围。在设计中如果关心的是位移则可以将单元尺寸建的大一些；如果关心的是应力或支护的内力，则应该将模型单元细分一些。但是像安全鉴定等探讨岩土结构的安全性的问题，因为要考虑材料的非线性，则可以将模型建的小一些，外部边界条件使用弹簧来模拟会更真实一些。做特征值分析时，为了避免产生局部振型，应尽量简化模型。特别是在初步设计阶段(preliminarydesignphase)可从简单的模型开始分析，逐渐增加复杂度直到得到比较理想的结果。该软还包括了非线性弹塑性分析、非稳定渗流分析、施工阶段分析、渗流——应力耦合分析、固结分析、、动力分析等几乎所有分析功能的通用分析软件。GTS不仅具备岩土分析所需的基本分析功能，是岩土和隧道分析与设计的最佳解决方案之一。2章渗流作用下的二维边坡稳定分析工程概况该边坡为土质边坡，受渗流作用的影响。边坡高度约为20m,坡度约为450，建立长为100m,高为60m几何模型。物理参数的选取岩土体物理力学参数选取是影响坡体稳定性评价的重要因素。经过现场工程地质和测绘、钻探、原位测试以及室内试验,结合场地边坡工程地质条件及地方经验,综合考虑选取了岩土体的物理力学参数。本次模型计算主要采用的物理力学参数为岩土体的容重(γ为20KN/m3、弹性模量(E)20000KN/m2、泊松比(μ)0.2、粘聚力(C)50KN/m2和内摩擦角(φ)300。模型的建立边坡岩土体的本构模型采用修正莫尔——库仑模型,是在莫尔——库仑模型基础上改善的,用于边坡的材料本构模型。根据所调研的物理参数定义该模型的属性，根据该边坡工程概况建立几何模型，几何模型如图11边坡模型由建立好的几何模型划分网格，定义网格组。添加模型的边界条件，划分边界组，最后定义施工阶段进行工况分析。2建立的网格模型计算结果分析该边坡模型的稳定性计算考虑了渗流条件作用的影响，因此对该模型采用两种工况分析：工况1渗流分析和工况2天然条件下的边坡分析。模型计算的结果可由水平方向位移图、总位移图以及最大剪应变图表示。但是由于该边坡为土质边坡，沿方向相对均匀,变化规律基本一致,同时为更清楚地显示边坡的位移变形规律,本文采用X—Z剖断面相关图来进行分析边坡稳定性。3天然工况下X—Z剖断面水平方向位移图4天然工况下X—Z剖断面总平方向位移图5天然工况下X—Z剖断面最大剪应变图6渗流作用下X—Z剖断面水平方向位移图7渗流作用下下X—Z剖断面总位移云图8渗流作用下X—Z剖断面最大剪应变图3、4水平方向位移和总位移图可以看出，由于受到表层土固结现象的影响，边坡体表面的位移较小，在坡肩和和坡脚处相对较大，随着土层的增加水平方向位移和总位移也在增加，而且，边坡滑动面的位移也相对较大。从图5的最大剪应变图可以看出边坡表面的最大前应变相对较小，在坡顶和坡脚处相对较大，滑动面附近的最大剪应变最大，但由计算得到的安全系数可知，边坡仍处于稳定状态。从6、7、8三个图可以看到渗流增加了水平位移和总位移以及最大应变的范围，降低了边坡的安全系数。在天然状态下边坡的安全系数为2.3875，而在渗流的作用下，边坡的安全系数为1.7875。可见，渗流大大降低了边坡的稳定性。3章预应力边坡加固分析工程概况该边坡为土质边坡，采用锚固装置对边坡进行加固。边坡高度约为40m,坡度约为450，建立长120m,高为120m几何模型。物理参数的选取本次模型计算主要采用的物理力学参数为岩土体的容重(γ为19KN/m3、弹性模量(E)20000KN/m2、泊松比(μ)0.3、粘聚力(C)35KN/m2和内摩擦角(φ)360本构模型采用摩尔—库伦。锚固段弹性模量(E)20000000KN/m2、泊松比(μ)0.3、重量密度为78.5KN/m3，本构模型采用弹性模型。模型的建立边坡岩土体的本构模型采用修正莫尔——库仑模型,是在莫尔——库仑模型基础上改善的,用于边坡的材料本构模型。根据所调研的物理参数定义该模型的属性，根据该边坡工程概况建立几何模型，几何模型如图11预应力加固边坡的几何模型由建立好的几何模型划分网格，定义网格组。添加模型的边界条件，划分边界组，添加集中荷载和分布荷载，对荷载进行分组，最后定义施工阶段进行工况分析。2建立的网格模型计算结果分析3天然工况下X—Z剖断面水平方向位移图4预应力加固下X—Z剖断面水平方向位移图5天然工况下X—Z剖断面水平方向有效应力图6预应力加固下X—Z剖断面水平方向有效应力图7天然工况下X—ZZ方向有效应力图8预应力加固下X—ZZ方向有效应力图9X—Z剖断面最大剪应变图10预应力加固下X—Z剖断面最大剪应变图从图3、4X—Z剖面的水平位移可以看出由于受到表层土固结现象的影响，边坡体表面的位移较小，边坡坡顶和破角度位移相对较大，由于滑动面的带动，滑动面附近的位移较大，预应力加固的作用下降低了坡脚处的水平位移。5、6、7、8图中的Z方向的有效应力，预应力的作用既有拉应力也有压应力。由图9、10可知最大剪应变明显减少，主要是由于在毛素加固的作用下，边坡附近土体的应力状态发生改变，使岩体最大剪应变减小，提高土体的强度。天然工况下边坡的安全系数为1.7625，预应力加固下的边坡的安全系数为1.6875，预应力加固提高了边坡的稳定性。第四章二维路堤施工阶段分析工程概况有一路堤，宽为40m，高9m。有四个土层，第一土层为粉质粘土，第二土层为粘土，第三土层为粉砂，回填土层为砂。现建立一个长100m，高39m的模型。物理参数的选取本次模型计算中有四个土层，四个土层的物理参数相同。主要采用的物理力(γ)为17KN/m3、(E)为1000000KN/m2、泊松比(μ)为0.35、粘聚力20kpa，摩擦角200，粘土的容重(γ)16KN/m3、弹性模量(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、弹性模量(E)为2000000KN/m2、泊松比(μ)0.310kpa300，砂容重(γ)18KN/m3、弹性模量(E)3000000KN/m2、泊松比(μ)0.3、粘聚力10kpa，摩擦角330模型的建立边坡四个土层土体和三个回填土层的本构模型采用采用莫尔—库伦模型,根据所调研的物理参数定义该模型的属性，根据该边坡工程概况建立几何模型，几何模型如图11路堤的几何模型由建立好的几何模型划分网格，定义网格组，添加边界条件，划分边界组，最后定义施工阶段，定义四个施工阶段，进行工况分析。2路堤的网格模型计算结果分析3第一阶段整体坐标XY方向总位移4第二阶段整体坐标XY方向总位移5第三阶段整体坐标XY方向总位移6第四阶段整体坐标XY方向总位移7第一阶段路堤X方向的有效应力8第二阶段路堤X方向的有效应力9第三阶段路堤X方向的有效应力10第四阶段路堤X方向的有效应力从图3、4、5、6路堤四个施工阶段的总位移可以看出路堤底部中心处的XY总移随施工阶段的不断地增加，在路堤周围的XY位移相对较大。从图7、8、9、10四个路堤X方向的有效应力可以看出在第一阶段回填土第一层的水平有效应力最大，随后相对稳定，随着施工的进行路堤的中心部位的水平有效应力和路堤与地基的交接处的水平有效应力相对较大。第五章三坑开挖阶段水渗流分析工程概况在土体中分两步开挖一个宽6m6m的基坑，，建立长30m20m、深18m的模型，基坑共有四个土层。物理参数的选取本次模型计算中有四个土层，四个土层的物理参数相同。主要采用的物理力学参数为岩土体的容重(γ)25KN/m3、弹性模量(E)2000000KN/m2、泊松比(μ)0.5。模型的建立边坡四个土层土体的本构模型采用采用弹性模型,根据所调研的物理参数定义该模型的属性，根据该边坡工程概况建立几何模型，几何模型如图1图1三坑开挖阶段的几何模型由建立好的几何模型划分网格，定义网格组，将网格扩展位三维网格模型。添加模型的水头边界条件，划分边界组，最后定义施工阶段，定义四个施工阶段，进行工况分析。图2三坑开挖阶段的网格模型计算结果分析3第一阶段空隙水压力4第四阶段空隙水压力5第四阶段XYZ方向渗流流速6第四阶段流速水头等值线由于不存在差，开挖前基坑内外土体处于相对状态。空隙水压力分层分布，水体没有相对运动的趋势。在没有进行开挖产生压力水头的情况下，基坑内水体的渗流压力来自外界水源。基坑开挖后造成了坑内外产生水头差，在水头压力的作用下，坑外水体向坑内发生渗流，如图4，在靠近基坑处的空隙水压力最大，渗流流速在基坑下层逐渐下降。第六章岩土工程数值分析学习体会随着计算机的计算速度和能力的飞速发展以及计算方法的日益完善，数值模拟方法已经成为研究未知领域的强有力的工具。特别是有限元的发展，促进了岩土工程研究、工程、优化设计和计算机辅助设计等的发展。但也存在着一些问题：些人因缺乏对有限元和工程性质的深入了解，而有限元的发展又是如此的迅速，以至于认为它是万能的，可以处理几乎所有的岩土工程问题；同时他们又被有限元计算结果的精度所迷惑，不了解这些精