【基于MIDAS-GTS NX的基坑受力变形信息化监测数值模拟分析案例8600字】

基于MIDAS-GTSNX的基坑受力变形信息化监测数值模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u9931基于MIDAS-GTSNX的基坑受力变形信息化监测数值模拟分析案例 156141.1MTDAS/GTSNX简介 1168481.2土的本构模型的选取 2119011.3MIDAS/GTSNX计算模型的建立 5171301.3.1建立计算模型 5133031.3.2材料参数 7237441.3.3开挖过程模拟 765941.4数值模拟计算结果分析 8315111.4.1地连墙位移分析 847961.4.2地下连续墙环向应力 12191531.4.3周围土体位移分析 13204051.5影响因素分析 15315061.1.1墙体厚度的影响 15180581.1.2墙体弹性模量的影响 17185341.1.3土体弹性模量的影响 19284701.6模拟结果与现场监测结果的对比 21107681.6.1围护结构径向位移对比分析 2136701.6.2周围土体变形分析对比 221.1MTDAS/GTSNX简介MIDAS是由韩国POSCO公司，于1989年研制而成的一款有限元分析软件。由于其是POSCO集团的CAD/CAE研发部门工程师研制而成，具有较多CAD的影子，如界面操作类似CAD可以帮助用户快速的适应界面，同时快速准确的网格划分帮助更快完成模型的建立，优秀的前后处理功能使得计算结果的准确度更高，分析结果导出的图形更加美观大方，因此一经发布就在土木工程领域得到了广泛的应用。自2002年被引进入中国市场，就引起了国内工程师的广泛关注。Midas国内市场主要涉及岩土（MIADS/GTS），桥梁（MIDAS/CIVIL）和建筑结构（MIADS/BULIDING,GEN）三个不同的领域，进入中国后，深度本土化，参考中国用户的使用习惯再次加工，让MIDAS系列软件更加适合中国用户，并广泛应用于结构、桥梁、岩土、隧道滑坡的设计工程中。同时具有汉化界面、交互式操作、强大的可视化模块等优势（于斌，2016）。其中在岩土领域中MIDAS/GTS得到了广泛的应用，目前已经是岩土工程领域重要的模拟分析软件之一。MIDASGTS能够快速完成“岩土隧道结构”的建模与分析，软件易学易用，能够在短时间快速摸清基本操作流程。程序提供有限元的应力、动力、渗流、以及应力-渗流耦合分析、边坡稳定分析、衬砌分析和设计功能，并提供摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）、修正莫尔-库伦（ModifiedMohr-coulomb）、邓肯-张（Duncan-Chang）、修正剑桥（CamClay）等14种本构及用户自定义本构模型，能满足绝大部分工程分析要求（李辉等，2011）。MIDAS/GTS能够很好的模拟多种单元，单元库中有岩土单元，包含平面应变、轴对称、实体等单元。结构单元，包含桁架、植入式桁架、梁、平面应力、板等单元；以及特殊单元，包括仅显示、接触、桩、桩端、土工格栅、测量板、弹簧、弹性连接、刚性连接、内插等单元。尤其在基础工程中，该分析软件能够将周围土体与结构综合考虑，使得分析的结果更加准确，更为真实的模拟现场实际情况。当周围水系比较发达或该区域降水较多时，可以考虑土水耦合作用下的应力应变。该程序可用荷载条件包括自重、压力、强制位移、自动生成水压力、温度、预应力、初始应力、反应谱等荷载。边界条件主要包括释放梁、板端部约束、自动生成静力或动力分析边界条件、焊接接触等边界条件。MIDAS/GTS的分析功能支持线性、非线性静力分析和施工阶段分析。使用者可以查看模型计算的各种结果如云图、等值线和图表等，并且可以个性化定义字体、背景和颜色等对计算结果进行调整演示。该软件还可以将运算数据导出MS-Excel进行分析。实际工程中该程序还提供便捷的几何建模功能、地形生成器、隧道建模助手、锚杆建模助手以及丰富的后处理结果；广泛的应用于地下结构、岩土、水工、地质、矿山、隧道等方面的分析及科研。成为了岩土行业主流的分析与设计软件。随着行业的发展，GTS也不断的进行新技术的发展及完善。1.2土的本构模型的选取MIDAS/GTSNX进行数值模拟时首先需要根据不同的建模需求建立不同的土材料的本构模型，确定土的抗剪强度参数，即确定破坏准则（沈珠江,1981;时卫民等，2003）。而在工程的生产实践常常广泛运用破坏准则为莫尔-库伦（Mohr-Coulomb）破坏准则，如图5-1所示。对于本文的基坑开挖数值模拟，拟采用剪切破坏模型莫尔-库伦本构模型。他是一个岩土工程常用的土体参数的非线性模型。1776年法国科学家库伦（C.A.Coulomb）总结土的破坏现象和影响因素，提出土的破坏公式为：对于砂土，普遍的表达式：（5-1）对于粘性土，普遍的表达式：（5-2）以上两式统称为库伦定律；也称为总应力抗剪强度公式。式中：破坏面上的切向应力；有效内摩擦角--有效粘聚力破坏面上法向应力图5-1摩尔-库伦屈服准则后来，莫尔继续库伦的早期研究工作，提出材料的破坏是剪切破坏的理论，认为在破裂面上，法向应力与抗剪强度之间存在着函数关系，即：。这个函数定义的曲线，称为莫尔破坏包线，或抗剪强度包线，如图5-2所示。图5-2Mohr-Coulomb抗剪强度包络线莫尔通过强度达到破坏时，构建承载的极限应力状态下的应力圆，得到与多个应力圆相切的函数直线，直线表达式为：（5-3）除土体外，基坑其他部件如支护挡墙，内支撑等建模过程中，根据需要会用到广义胡可（Hooke）定律：（5-4）在有限元计算中，弹性单元体应力矢量及应变矢量可表示为和：，应力、应变矢量的数学关系表达式为：（5-5）其中弹性模量可用线性代数中矩阵表示为：（5-6）（5-7）（5-8）1.3MIDAS/GTSNX计算模型的建立首先应该根据拟建的结构单元类型与土层特性，选取符合度较高的本构模型，并且合理确定材料参数和特征参数。当设置完材料属性参数后，进行几何模型的建立。对于一些结构比较简单的模型，可以通过先生成点，然后由点组合成线，再由线组合成面，最后将面组合成三维实体的顺序来生成。当模型较为复杂时可以通过将DXF文件，导入MIDAS/GTS中进行自动的线框检查，简化建模的工作量，缩短时间提高效率。当几何模型完成后，将进行网格的划分和结构单元的建立，可以通过软件内置程序来自动划分网格，将大的面化成较小的网格，这时可利用析取和延伸命令来让网格更加耦合。网格划分后，需要对结构施加各种荷载和设置不同的边界条件，再定义施工阶段，通过定义初始地应力场后，通过运算可以求得结构的外荷载进一步可以求得土的抗剪强度。运用MIDAS/GTS模拟基坑工程中土体的开挖和支护结构的施做时，通过数据的“钝化”和“激活”来实现。通过“数据钝化”模拟基坑土方的开挖，运用“数据激活”来模拟支护结构的施做。紧接着进行添加分析工况这一步，当模型为基坑工程时可选择“施工阶段”的分析类型，同时在建模时应该将“应力分析初始阶段”和“K0条件”两选项进行勾选。然后点击“求解”进行计算分析，当计算完成后可以进行选择查看图表、云图或表格数据等。1.3.1建立计算模型该锚碇深基坑围护结构为圆形地连墙加内衬的形式，该地下连续墙内径为61m，厚度为1.5m，内衬厚度从上向下依次为15m深度内厚1.0m，15~30m深度内厚1.5m，30~49.5m深度内厚2.5m。由于该基坑内衬厚度变化较大，同时深度较深常规的二维模型分析具有一定局限性，根据前期收集的场地勘察资料，施工日志和监测资料等来看，可以建立三维模型模拟对该基坑工程进行分析。在进行建模时考虑周围土体对结构的影响，根据经验，模型水平向影响范围取为开挖深度的3-5倍，但考虑到本工程周围建筑物，地下管线较为复杂，本模型基坑长宽均取为430m。影响深度一般为开挖深度的2-4倍，也需要考虑基坑周围环境和地层条件等条件综合来确定影响范围，本文深度取200m。对于计算的边界条件，需按照开挖后围护结构受力不再产生变位影响的边界为基本原则。该模型的边界条件为圆形侧面施加水平约束条件，上边界为自由边界，底面施加竖向约束条件。网格大越细计算的准确性就越高，避免产生奇异现象，但随之而来也会产生较大的运算成本。本文根据实际情况，按距离围护结构的远近，取为不同的网格大小，距离地连墙体越远网格就越稀疏。本模型合计137149个网格节点，244298个计算单元，如图5-3、5-4所示。图5-3模型整体视图图5-4圆形地连墙模型1.3.2材料参数根据场地勘察的资料可知，该锚碇基坑所在的南岸覆盖层主要为第四系全新统冲洪积（Q4al＋pl）粉质黏土、粉土、淤泥质粉质黏土（厚度19.05~-4.75米，各土层厚度变化显著），细砂、中砂、卵石（厚度-2.37~-32.25米，细沙层厚度较大），下伏基岩主要为白垩-第三系（K-Rdn）泥质粉砂岩、泥岩（厚度-27.17~-54.56米，岩面起伏大）。模拟分析将土层简化为各土层水平方向为均匀分布，各层力学参数如下5-1表所示。表5-1地层参数土层编号土层名称厚度γE泊松比ν抗剪强度参数/m/(kN·m-3)/MPa/1c/kPaφ/(°)1杂填土0.518.8120.351052粉质黏土1.618.6180.3118.89.93淤泥质粉质黏土8.218.0140.3512.39.84粉砂1.518.5180.310205细砂12.219200.30246中砂17.219.5480.30287卵石2.820.5800.30358强风化泥质粉砂岩1.9244000.350309中风化泥质粉砂岩11.721.540000.24803210微风化泥质粉砂岩50.426200000.215035地连墙在围护结构中其主要作用混凝土强度等级取C35，弹性模量E为31.5MPa，内衬强度相比较小取C30，泊松比取0.2，E为30MPa，具体参数详见下表5-2所示。表5-2混凝土参数部件名称混凝土强度等级E泊松比ν抗剪强度参数/MPa/1c/kPaφ/（°）地下连续墙C3531.50.226056内衬C30300.2230551.3.3开挖过程模拟该锚碇基坑工程主要为基坑土方的开挖与内衬的施做，首先建立圆形地连墙模型，确定本构模型和边界条件，赋值土体参数。其次模拟初始地应力场，初始地应力是由于地层土体在长期自重应力作用下固结达到稳定的平衡状态其模拟的准确与否，将影响着计算结果的精确度。最后在模拟因土层开挖引起的位移时将土体的初始位移归为零，根据该工程实际的土方开挖和内衬施作顺序进行运算模拟。通过MIDAS/GTSNX有限元模拟基坑开挖时，各施工工况如表5-3所示。表5-3施工工序施工阶段开挖标高/m工况施工阶段开挖标高/m工况阶段0地连墙施工内衬施工阶段117~14第一层土方开挖阶段10-10~-13第十层土方开挖内衬施工内衬施工阶段214~11第二层土方开挖阶段11-13~-16第十一层土方开挖内衬施工内衬施工阶段311~8第三层土方开挖阶段12-16~-19第十二层土方开挖内衬施工内衬施工阶段48~5第四层土方开挖阶段13-19~-22第十三层土方开挖内衬施工内衬施工阶段55~2第五层土方开挖阶段14-22~-25第十四层土方开挖内衬施工内衬施工阶段62~-1第六层土方开挖阶段15-25~-28第十五层土方开挖内衬施工内衬施工阶段7-1~-4第七层土方开挖阶段16-28~-31第十六层土方开挖内衬施工内衬施工阶段8-4~-7第八层土方开挖阶段17-31~-32.8第十七层土方开挖阶段9-7~-10第九层土方开挖内衬施工1.4数值模拟计算结果分析1.4.1地连墙位移分析基坑工程中，围护结构的变形情况对基坑的安全和稳定起着十分重要的作用。随着基坑的开挖，基坑内侧土体挖出，内侧被动土压力减小，使得围护结构两侧土压力差增大，在较大的压力差下，围护结构可能产生较大的变形影响基坑的安全。对于该锚碇基坑来说，圆形地连墙体变形量大小是衡量结构安全稳定的一个重要因素。软件模拟基坑开挖中地连墙墙体变形，如图5-5~5-12所示。图5-5工况一地下连续墙水平向位移云图图5-6工况五地下连续墙水平向位移云图图5-7工况九地下连续墙水平向位移云图图5-8工况十三地下连续墙水平向位移云图图5-9工况十五地下连续墙水平向位移云图图5-10工况十七地下连续墙水平向位移云图图5-12地下连续墙径向位移模拟结果图通过图5-12可以看出，地连墙径向位移的变形总体表现为“中间大，两端小”的特点。随着基坑的开挖，墙体径向位移呈现逐渐增大的趋势。最大位移值出现的位置随着基坑开挖，呈现出从上往下移动的特点，并最终稳定在墙体的中部33m处。地连墙的最大径向位移出现在圆形基坑第十七层土开挖完成后，最大径向位移值为17.85mm，远远小于基坑监测预警值30mm。这也说明该圆形地连墙结构能很好的控制变形，为基坑稳定安全的开挖提供了坚实的基础。1.4.2地下连续墙环向应力根据模型分析结果可知，地下连续墙的环向应力和径向位移的变化规律类似，总体也是随着基坑开挖深度的增加而增大。模拟表明，地连墙环向应力整体以压应力为主，最大值出现的位置随着开挖深度的增大而向下移动，最终的位置与地连墙水平最大位移出现的位置较为一致均为33m深度处。通过比较发现，地连墙环向应力较竖向应力明显更大，这可能是与围护结构的圆形“拱效应”密切相关，基坑地连墙在周围土体开挖过程中能更好的平衡围护结构两侧的水土压力。下图为基坑开挖到最后工况下的地连墙的XX方向应力大小，如图5-13，5-14所示。图5-13开挖结束时XX方向应力云图图5-14环向应力模拟结果1.4.3周围土体位移分析基坑工程中，随着坑内土体的开挖，不仅会围护结构产生一定的变形影响，而且还会对周围的土体产生扰动，使周围土体产生一定的沉降变形，进而影响周围建筑物的安全。特别是在一些超大，超深的基坑工程中，研究周围土体的变形规律与基坑开挖之间的关系就显得尤为重要。本文运用有限元模拟基坑开挖过程中周围地表土体的沉降变形，模拟结果如下图5-15、5-16所示。图5-15开挖结束时位移地表位移剖面云图图5-16地表沉降变化模拟结果从图5-15和5-16可以看出，地表沉降随着基坑的开挖呈现逐渐增大的趋势，当开挖结束时，即第十七层土开挖完成后地表沉降达到最大，周围地表土体沉降呈现出类似“勺形”的变化规律。基坑周围土体离基坑边缘越近，受到的影响就越明显，地表的沉降也就相对较大，地表最大沉降值出现在距离基坑边30m处，最大位移值为10.72mm。而距离基坑越远地表受到的影响就越不明显，变化相对较小，且当土体相对基坑的距离超过100m后数值后基本稳定不变。可见基坑开挖对周围土体的影响是处在一定范围内的，模拟表明该工程主要影响范围为约为2倍开挖深度，地表最大沉降出现的位置，约为0.5倍开挖深度。表明围护结构对周围土体的影响范围相对较小，这得益于该基坑的圆形围护形式，可以充分利用围护结构的空间“拱效应”将部分水土压力转化为压应力，利用混凝土良好的抗压能力，减小围护结构的变形，从而约束周围地表土体的沉降。同时圆形结构形式可以更有利于坑外“土拱效应”的产生，进一步有利于减小周边地表土体的沉降值。1.5影响因素分析基坑工程中，围护结构的内力和变形受到各种因素的制约与影响，如场地的地质条件，开挖的深度和围护结构的形状尺寸等都会对结构应力应变产生影响，但各因素对结构的影响权重可能会有所差异，某些因素因素的变大变小可能会对结构的内力和变形产生较大的影响，而某些因素变化造成的影响可能相十分微小。因此，研究围护结构对不同因素的敏感程度就显得十分重要，通过对不同影响因素的研究，寻找出敏感性较大的变量进行研究，可以更好的反馈指导基坑的施工与设计，保障基坑工程的安全稳定。本文主要通过对地下连续墙的墙体厚度，墙体弹性模量和土体的力学参数变化来进行探析。1.1.1墙体厚度的影响基坑工程中围护结构的厚度大小与结构的变形有着十分密切的关系，也是在设计基坑围护结构时需要重点考虑的因素，其大小的变化，一方面关系着结构的基坑施工的安全；另一方面也影响着工程的造价。如果一昧将地下连续墙体增加较大厚度，虽然说能很好的控制变形，但从工程角度来说可能不是那么经济，因此对不同的地连墙厚度进行模拟研究就显得十分必要。本文主要对原设计地下连续墙厚度，进行增大或减小一定比例，通过不同的厚度变化来进行模拟研究。在原模型的基础上，保持其它条件不变，只分别改变基坑模型中地连墙的厚度，模拟不同墙体厚底下围护结构的受力规律和变形特点。原地下连续墙厚度设计为1.5m，模拟时分别减小和增大20%，和40%改变至0.9m，1.2m，1.7m，2.1m。模拟结果如下图5-17所示。图5-17墙厚对径向位移的影响根据图5-17可以看出，地下连续墙的径向位移大小总体与墙厚成反比关系，墙体厚度越厚，径向位移相对较小，而随着墙体厚度的减小，径向位移呈现增大的趋势。当地连墙厚度从1.5m减小到1.2m时地连墙径向位移由17.54mm增加到21.52mm,增幅约为22.69%，当墙厚进一步减小至0.9m时，径向位移增加量为52.96%。而当连续墙厚度从1.5m增加至1.7m时，地连墙径向位移减小幅度为19.5%，位移值减至14.12mm，当墙体厚度增加至2.1m时，位移减小到11.41mm，幅度为34.95%。从上面的模拟结果可以看出，地连墙厚度大小的选择对工程来说十分重要，当地连墙体厚度减小时，径向位移的变形呈现增大的趋势，而位移的增大往往伴随着内力的变化，可能会使得地连墙钢混凝土结构变形过大，尤其使得混凝土出现开裂破坏，甚至对结构的安全稳定产生影响。而当厚度增大时，能在一定程度上减小径向位移，使得基坑的径向变形得到很好的控制，然而对于工程来说，常常希望在保障施工安全的条件下寻找更加经济的方案，避免不必要经济的浪费。图5-18墙体厚度对环向应力的影响地连墙体厚度的变化对环向应力的影响，如图5-18所示，可以看出当地连墙厚度从1.5m减小到1.2m时，地连墙环向应力由1.79Mpa增加到7.16mm,增幅约为23.66%，当墙厚进一步减小至0.9m时，环向应力增至8.99Mpa增加量为51.27%。而当连续墙厚度从1.5m增加至1.7m时，地连墙环向应力减小幅度为20.37%，位移值减至4.61Mpa，当墙体厚度增加至2.1m时，应力减小到3.66Mpa，幅度为36.79%。总体来说厚度的改变对环向应力还是有一定影响，在设计计算时需要综合考虑墙厚的影响。1.1.2墙体弹性模量的影响在基坑工程的设计中，地下连续墙的弹性模量也是必须考量的一个因素，其取值的大小往往受到多种因素的影响，如现场实际的工程条件，混凝土的强度等级，地连墙体搭接情况等。因此对其的研究就显得十分必要，此处通过有限元软件模拟分析，围护结构在不同弹性模量下的变形和受力情况。在进行模拟分析时，只改变地连墙体弹性模量的大小，保持其它条件与原模型一致。通过对原弹性模量分别增大和减小10%，20%，模拟分析结构的变形与受力情况，也即0.8E,0.9E,1.1E,1.2E四种弹性模量，模拟结果如图5-19所示。图5-19墙体弹性模量对径向位移的影响通过图5-19可以看出，地连墙的径向位移总体随着弹性模量的增大而呈现逐渐减缓的趋势。当弹性模量增大1.1倍时，地连墙的径向位移呈现减小的趋势，从17.54mm减缓至11.97mm，减小了约8.95%，当进一步扩大原弹性模量至1.2倍时，地连墙的径向位移变小了约11.22%，位移值减小至14.87mm。当对墙体弹性模量进行缩小时，总体径向变形呈现增大的特点。当将模量减小至0.9倍时，径向位移由17.54mm增加至19.24mm，增加约9.7%，当模量近一步变至原0.8倍时，径向位移增加至21.48mm，增加幅度为22.46%。从上面的模拟结果可以看出弹性模量总体对结构的径向位移影响幅度相对不大。在模拟分析时，通过对不同的地连墙体弹性模量进行取值，研究模量大小对径向位移的影响，如图5-20所示。通过模拟结果可以看出，总体上墙体弹性模量对径向位移的影响不大，当模量增大到原取值的1.2倍时，环向应力由于1.79Mpa增加到6.21Mpa，增加幅度约为7.25%，而当模量减小至原取值的0.8倍时，应力减小至1.35Mpa幅度为7.6%。总的来说，当弹性模量的取值变化对环向应力有小幅度的影响。图5-20墙体弹性模量对环向应力的影响1.1.3土体弹性模量的影响在实际工程中，对土体的弹性模量的研究是十分必要的，其取值的大小往往决定计算的准确性，但其取值往往受到多种因素的影响，场地勘察后所提供的地勘报告中，往往没有直接提供土的弹性模量，再加上勘察过程中取点的偶然性和土层的复杂性，报告结果可能不能完全详实的反应实际的土层状况，因此合理的取值需要考虑许多因素。建模选取的弹性模量值也是根据相关经验和文献综合确定。考虑到相同的围护结构在不同的土弹性模量取值下可能产生不同的结果。本文选取将原弹性模量分别增加和减少10%，20%也即原来弹性模量的0.8倍，0.9倍，1.1倍，1.2倍，在保证原来模型不变的前提下，只将弹性模型依次改变，来模拟不同土体弹性模量下结构的受力和变形特点。其结果如下图5-21所示。图5-21土体弹性模量对径向位移的影响根据模拟分析结果可知，总体来看当土体的弹性模量增大时，径向位移呈现减小的趋势，反之土体弹性模量减小时时，位移表现为相对增加，但增减的幅度很小，说明当弹性模量的变化范围不是很大时，对径向位移的影响不大，总体来看几乎没有影响，说明在进行土体弹性模量的选择时，根据地勘报告提供的数据和相关经验来确定是合理的，其结果具有一定的可靠性。在保持其它参数不