華南區巖土夢基坑成果匯報-楊春山.ppt
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2024-09-20
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1、MidasMidas工程師、各位巖土專家工程師、各位巖土專家工程師、各位巖土專家工程師、各位巖土專家下午好!下午好!下午好!下午好!GTS基坑分析常見問題基坑分析常見問題探討探討華工華工:楊春山楊春山No.2 復雜深基坑分析常見問題復雜深基坑分析常見問題 No.3 復雜基坑實例分析復雜基坑實例分析 No.4 結語結語目錄目錄No.1 基坑分析建模分類基坑分析建模分類 1 基坑分析建模類型(1)、全部自動劃分四面體單元、全部自動劃分四面體單元 通過自動劃分網格,全為四面體單通過自動劃分網格,全為四面體單元。特點:不需要太多的豎向、橫向尺元。特點:不需要太多的豎向、橫向尺寸控制,自動劃分實體單元即2、可;對于寸控制,自動劃分實體單元即可;對于幾何模型,各種結構物之間、結構物與幾何模型,各種結構物之間、結構物與土層之間布爾運算過凡,易出現不耦合,土層之間布爾運算過凡,易出現不耦合,且對于三維模型往往單元數過多,且對于三維模型往往單元數過多,增加增加了運算成本。了運算成本。適用范圍:有多個方向上截面尺寸適用范圍:有多個方向上截面尺寸要求;或者有兩個方向尺寸要求,其中要求;或者有兩個方向尺寸要求,其中一個方向截面形式差異范圍占總體模型一個方向截面形式差異范圍占總體模型該方向尺寸比例大。該方向尺寸比例大。1 基坑分析建模類型(2)、六面體、六面體+四面體單元四面體單元 兩個或兩個以上方向有尺寸要求3、,兩個或兩個以上方向有尺寸要求,但處在整體模型的小范圍內,可采用自但處在整體模型的小范圍內,可采用自動劃分網格與延伸結合的方法,動劃分網格與延伸結合的方法,這樣可這樣可以顯著地減少計算模型的單元以顯著地減少計算模型的單元,也不失,也不失總體美觀。適用范圍介于總體美觀。適用范圍介于1與與3之間。之間。模型單元約減少模型單元約減少2/5以上以上1 基坑分析建模類型(3)、全部延伸六面體單元、全部延伸六面體單元 “化零為整法化零為整法”生成的模型,通生成的模型,通過二維網格延伸生成全部六面體單元。過二維網格延伸生成全部六面體單元。特點:較自動劃分網格美觀,特點:較自動劃分網格美觀,單元明單元明顯減小4、,降低了運算成本與節省了時顯減小,降低了運算成本與節省了時間,間,但延伸時對于前期尺寸控制要求但延伸時對于前期尺寸控制要求較高。適用范圍:兩個方向以下有尺較高。適用范圍:兩個方向以下有尺寸要求,或者兩個方向尺寸上有要求,寸要求,或者兩個方向尺寸上有要求,但是兩個方向上截面形狀比較規則。但是兩個方向上截面形狀比較規則??傮w模型減總體模型減少少3/4單元單元1 方法延伸 上述類型上述類型3中方法并非僅針對基坑建模分析,如縱、橫向彎曲隧道等中方法并非僅針對基坑建模分析,如縱、橫向彎曲隧道等都有較好的效果。針對彎曲隧道如果采用常規的思路:建立幾何模型都有較好的效果。針對彎曲隧道如果采用常規的思路:建立5、幾何模型-布爾運算布爾運算-網格自動劃分,這樣往往由曲線掃描出來的幾何實體與周網格自動劃分,這樣往往由曲線掃描出來的幾何實體與周圍實體之間難以進行正常的布爾運算,致模型不耦合無法運算。若采用圍實體之間難以進行正常的布爾運算,致模型不耦合無法運算。若采用“化零為整化零為整”的思路,可以簡單確保耦合,且無需生成三維實體模型,同時的思路,可以簡單確保耦合,且無需生成三維實體模型,同時單元得到很大的減少。如下圖所示的小轉彎隧道。單元得到很大的減少。如下圖所示的小轉彎隧道。通過旋轉或者掃描通過旋轉或者掃描生成半徑生成半徑250m的小轉的小轉彎隧道及部分土層。彎隧道及部分土層。根據以有連線根據以有連線 進6、行網格劃分進行網格劃分保證節點耦合保證節點耦合前提下連線前提下連線 由二維網格由二維網格 延伸成三維延伸成三維 根據實際土層根據實際土層 進行相應延伸進行相應延伸 檢查生成的檢查生成的 網格是否耦合網格是否耦合 OK!耦合耦合!檢查方法檢查方法 2 復雜深基坑分析常見問題復雜深基坑分析常見問題本構本構模型模型模型模型單元單元接觸接觸問題問題Q1:單元問題。在很多時候用六面體元素是比較經濟的,六面體單元的一個特點是單元問題。在很多時候用六面體元素是比較經濟的,六面體單元的一個特點是它們允許一個比四面體單元大的多的縱橫比。四面體單元中的一個大的縱橫比總它們允許一個比四面體單元大的多的縱橫比。四面體7、單元中的一個大的縱橫比總是會影響單元的偏斜,妨礙計算的精確與收斂。這個網格擁有的單元比四面體少是會影響單元的偏斜,妨礙計算的精確與收斂。這個網格擁有的單元比四面體少的多,計算成本顯著減小。國外在有限元分析時推薦使用六面體,應力結果更好,的多,計算成本顯著減小。國外在有限元分析時推薦使用六面體,應力結果更好,而不推薦四面體。而不推薦四面體。其他其他問題問題Q2:接觸問題。當接觸單元的剛度遠大于其相鄰單元剛度時,總剛度矩陣就成為了接觸問題。當接觸單元的剛度遠大于其相鄰單元剛度時,總剛度矩陣就成為了病態矩陣,接觸面單元中應力會發生波動,引起模型計算不收斂。接觸過程在力病態矩陣,接觸面單元中應力會發生8、波動,引起模型計算不收斂。接觸過程在力學上常常同時涉及三種非線性,包括大變形引起的材料非線性、幾何非線性還有學上常常同時涉及三種非線性,包括大變形引起的材料非線性、幾何非線性還有接觸面非線性(接觸面非線性(用線性計算加入接觸單元的模型會出問題用線性計算加入接觸單元的模型會出問題)。針對這一情況,在。針對這一情況,在 2 復雜深基坑分析常見問題復雜深基坑分析常見問題 此建議采用如下方法。如:土層中含有錨桿、土釘及未等效的圍護樁,當要考慮此建議采用如下方法。如:土層中含有錨桿、土釘及未等效的圍護樁,當要考慮結構與土層相對滑移時,不要直接用三維網格與線單元接觸,可以結構與土層相對滑移時,不要直接用三9、維網格與線單元接觸,可以 采用建立實體土釘、采用建立實體土釘、錨桿及樁基,錨桿及樁基,再內嵌植入式桁架、桁架及梁,以獲取所需內力。究其原理,加再內嵌植入式桁架、桁架及梁,以獲取所需內力。究其原理,加 入式桁架是根據應力應變關系轉換,而入式桁架是根據應力應變關系轉換,而 植入梁單元則是根據撓曲線微分方程轉植入梁單元則是根據撓曲線微分方程轉 換。值得注意的是,無論植入那種單元換。值得注意的是,無論植入那種單元 均取剛度為單位剛度,以免影響結果。均取剛度為單位剛度,以免影響結果。2 復雜深基坑分析常見問題復雜深基坑分析常見問題Q3:本構模型問題。:本構模型問題。在土工數值分析中,土的應力在土工數值分10、析中,土的應力-應變關系對計算結果有重大影應變關系對計算結果有重大影響。選擇的本構模型應盡可能簡單,同時要滿足土層變形特點。土體變形性質的響。選擇的本構模型應盡可能簡單,同時要滿足土層變形特點。土體變形性質的一個突出特征是其模量與應力水平有關,卸載模量大于加載模型。有限元分析中,一個突出特征是其模量與應力水平有關,卸載模量大于加載模型。有限元分析中,大家常用理想彈塑性模型,如大家常用理想彈塑性模型,如M-C、D-P等,這些模型未考慮應變硬化與軟化,與等,這些模型未考慮應變硬化與軟化,與巖土材料實際特性相差甚遠,故計算結果往往失真。理想彈塑性模型滯回曲線是巖土材料實際特性相差甚遠,故計算結果往往11、失真。理想彈塑性模型滯回曲線是一平行四邊形曲線,認為彈性模量與卸載模量一致,這樣就容易出現開挖回彈過一平行四邊形曲線,認為彈性模量與卸載模量一致,這樣就容易出現開挖回彈過大的情況,尤其在基坑工程中這一問題更為凸顯。大的情況,尤其在基坑工程中這一問題更為凸顯。怎么處理這一問題值得探討!怎么處理這一問題值得探討!Q4:流固耦合、多線與體印刻及支護連接問題。流固耦合、多線與體印刻及支護連接問題。2 復雜深基坑分析常見問題復雜深基坑分析常見問題 本例為近接影響分析實例。眾所周知,本例為近接影響分析實例。眾所周知,新建基坑施工會改變原有地鐵的受力狀態,新建基坑施工會改變原有地鐵的受力狀態,從而對既有結構12、從而對既有結構 產生影響。所以基產生影響。所以基 坑施工對周圍環境坑施工對周圍環境 的影響分析顯得的影響分析顯得 尤為重要。尤為重要。3 復雜基坑實例分析 3.1 工程概況工程概況28m200m190m既有地鐵既有地鐵1-1區:區:1m連續墻+錨桿桿2-2區:區:1m連續墻+錨桿桿6-6區:區:1.2m圍護樁+錨桿桿+雙排雙排850攪拌拌樁止水帷幕止水帷幕5-5區:區:1.2m圍護樁+錨桿桿+雙排雙排850攪拌拌樁止水帷幕止水帷幕3-3區:三道支撐區:三道支撐+1m連續墻4-4區:三道支撐區:三道支撐+1m連續墻一道支撐一道支撐3.2 模型的建立模型的建立 2 復雜深基坑分析常見問題復雜深基坑13、分析常見問題 模型中土層采用實體單元,止水帷幕通過土體修改邊界屬性實現,三維模型中土層采用實體單元,止水帷幕通過土體修改邊界屬性實現,三維實體單元采用實體單元采用M-C本構模型;圍護樁根據剛度等效成板樁,用板(殼)單元本構模型;圍護樁根據剛度等效成板樁,用板(殼)單元模擬,錨桿用植入式桁架單元,內支撐結構用梁單元模擬;盾構管片采用板模擬,錨桿用植入式桁架單元,內支撐結構用梁單元模擬;盾構管片采用板(殼)(殼)單元,以上結構均采用彈性模型。地面附加荷載為單元,以上結構均采用彈性模型。地面附加荷載為20kPa.工況工況名稱1初始應力分析,位移清零,獲取初始應力場2進行既有隧道的開挖與支護,位移清零14、3修建基坑支護樁、止水帷幕+地下連續墻(含冠梁與圈梁)4修建基坑支護立柱5基坑開挖1+支護1+錨桿16基坑開挖2+支護2+錨桿27基坑開挖3+支護3+錨桿3+冠梁8基坑開挖4+錨桿4計算計算工況工況1、建立幾何模型。、建立幾何模型。3.2 模型的建立模型的建立2、由上幾何平面生成、由上幾何平面生成2D網格。網格。3.2 模型的建立模型的建立建模過程建模過程3、根據土層厚度、圍護與支護結構位置、每次開挖深度等延伸成三維網格。、根據土層厚度、圍護與支護結構位置、每次開挖深度等延伸成三維網格。3.2 模型的建立模型的建立建模過程建模過程4、賦予不同土層參數,摳出基坑開挖部分模型。賦予不同土層參數,摳15、出基坑開挖部分模型。3.2 模型的建立模型的建立 5、通過延伸或者吸取單元生、通過延伸或者吸取單元生成圍護結構,通過吸取單元和移動成圍護結構,通過吸取單元和移動復制網格生成相應支護結構;利用復制網格生成相應支護結構;利用自動劃分網格生成錨桿,通過修改自動劃分網格生成錨桿,通過修改邊界屬性來模擬止水帷幕。邊界屬性來模擬止水帷幕。3.2 模型的建立模型的建立局部支護體系圖局部支護體系圖建模過程建模過程6、連接右側幾何線體,劃分連接右側幾何線體,劃分2D網格。網格。3.2 模型的建立模型的建立建模過程建模過程7、延伸生成隧道處三維網格,形成最終的計算總體模型。延伸生成隧道處三維網格,形成最終的計算總16、體模型。3.2 模型的建立模型的建立8、總體計算模型透視圖??傮w計算模型透視圖。建模過程建模過程3.2 模型的建立模型的建立建模過程建模過程3.3 結果與分析結果與分析建模過程建模過程 由上土層位移云圖可知,土層最大豎向位移為由上土層位移云圖可知,土層最大豎向位移為27.9mm,出現在坑,出現在坑底,向上隆起;水平向最大位移出現在底,向上隆起;水平向最大位移出現在4-4區與區與5-5區的交界處,最大值區的交界處,最大值為為23.4mm,向基坑側;兩向位移均滿足基坑設計要求,向基坑側;兩向位移均滿足基坑設計要求(30mm)。出現。出現位移原因:豎向開挖卸載應力釋放引起坑底土層上抬,同時基坑開挖引17、位移原因:豎向開挖卸載應力釋放引起坑底土層上抬,同時基坑開挖引起應力變化,圍護結構向臨空面移動,促使坑邊土層向基坑側移動。起應力變化,圍護結構向臨空面移動,促使坑邊土層向基坑側移動。3.3 結果與分析結果與分析建模過程建模過程3.3 結果與分析結果與分析建模過程建模過程 上圖為鄰近盾構隧道的位移云圖。由圖上圖為鄰近盾構隧道的位移云圖。由圖可知,水平位移均向基坑一側移動,最大值可知,水平位移均向基坑一側移動,最大值為為1.511mm,出現在近基坑一側隧道中部;,出現在近基坑一側隧道中部;豎向位移最大值為豎向位移最大值為1.677mm,向下,出現在,向下,出現在隧道端部。水平位移的產生跟土層原因一18、致,隧道端部。水平位移的產生跟土層原因一致,而豎向位移則因為基坑開挖隆起與地面附加而豎向位移則因為基坑開挖隆起與地面附加荷載引起的。荷載引起的。3.3 結果與分析結果與分析4 結語 1、由于巖土的復雜性、實際項目的特殊性及計算過程中的一系列簡化,致、由于巖土的復雜性、實際項目的特殊性及計算過程中的一系列簡化,致使巖土工程數值分析結果往往與實際存在較大的偏差,甚至相反;正因此,進使巖土工程數值分析結果往往與實際存在較大的偏差,甚至相反;正因此,進行有限元分析時不要太過糾結,太追求結果數值上的吻合,一般認為結果規律行有限元分析時不要太過糾結,太追求結果數值上的吻合,一般認為結果規律滿足實際情況,且19、數值與理論或實測結果同一個數量級,模型本身是沒有大的滿足實際情況,且數值與理論或實測結果同一個數量級,模型本身是沒有大的問題。問題。2、軟件學習過程中,不論、軟件學習過程中,不論GTS還是其他一些分析軟件的學習,個人覺得要還是其他一些分析軟件的學習,個人覺得要重視過程,遇到問題多思考,多總結;我看重視過程,遇到問題多思考,多總結;我看GTS用戶大都是要進行實際工程分用戶大都是要進行實際工程分析了才開始學,然后不停地問,最終項目做完了,軟件還是沒搞懂。學習其他析了才開始學,然后不停地問,最終項目做完了,軟件還是沒搞懂。學習其他通用軟件發現,分析軟件都是相通的,通用軟件發現,分析軟件都是相通的,G20、TS操作界面相對友好,但建議工程師操作界面相對友好,但建議工程師們仍需多花點時間摸索,務必把例題多做幾遍。學通了這個軟件,為學習其他們仍需多花點時間摸索,務必把例題多做幾遍。學通了這個軟件,為學習其他相關軟件打好基礎。相關軟件打好基礎。3、要軟件分析結合理論。時常有人問到、要軟件分析結合理論。時常有人問到“初始應力計算、地基反力系數、初始應力計算、地基反力系數、地層結構法、荷載結構法及側壓力系數等問題,都是對基本的概念不了解所致。地層結構法、荷載結構法及側壓力系數等問題,都是對基本的概念不了解所致?;镜母拍顩]掌握,學習軟件就更為困難了,因此建議大家有時間翻翻書,掌基本的概念沒掌握,學習軟件就更為困難了,因此建議大家有時間翻翻書,掌握一些基本的概念。握一些基本的概念。感謝聆聽!感謝聆聽!謝謝!