midas gts nx二维隧道施工阶段分析.pdf

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1、 Basic Tutorials Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 | 1 二维隧道施工阶段分析二维隧道施工阶段分析 1.1 学习目的 隧道分析的主要目的是为了掌握特定设计及施工过程的可靠性及稳定性问题。通过数值分析，识别隧道施工时在隧道周边 发生的变形及下沉，综合分析喷射混凝土及锚杆的应力，可以在施工前预测施工时可能发生的问题。分析上需要的输入材 料有地面特征值、岩土的初始应力、支撑物特性值等，岩土的初始应力对隧道响应带来很大的影响，所以需要一边修改参 数（侧压力系数）一边执行隧道的稳定性评估。 通过本例题可以学习如下主要功能及分析方法。

2、 引入几何形状 定义岩土/结构物性 网格设计 初次支撑材料 喷混Shotcrete, 锚杆Rockbolt 的建模 修改物性(分析前, 分析中) 定义施工阶段(勾选LDF) 参数分析 输出结果分析 施工阶段分析结果图及表。 Section 1 学习目的及概要 Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 Basic Tutorials 2 | Chapter 1. 二维 隧道施工阶段分析 1.2 模型及分析概要 本模型是内部有一个隧道的山地地形的切面形状。地层由上部分布4m层厚的粉砂、下部为风化岩、二等级岩的地层构 成。在初始地应力状态上形成开挖后，设置初次支撑材料的喷混Shotcrete和锚杆

3、Rockbolt，模拟喷混Shotcrete硬化以 后的阶段。 定义岩土及结构材料后，在创建网格时定义分配给各单元的特性。 分析切面 Basic Tutorials Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 | 3 启动附加的开始文件(01_1arch_start) * * : : 分析分析 分析工况分析工况 设置设置 (Analysis Analysis Case Setting)(Analysis Analysis Case Setting) 设置模型种类、重力方向及初始变量。确认分析时使用单位制。在建模过程及确认分析结果时可以修改单位 制。根

4、据设置的单位制将自动换算输入参数。 本例题为二维形状，单位制使用SI单位(kN,m)。 通过右侧下端的单位转换，可以轻松地变换输入单位制后输入。 二维的情况下，在 XY坐标平面上形成，三维的情况下，可以按Y方向或者Z方向定义重力加速度方向。 Section 2 设置分析条件 设置分析条件 Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 Basic Tutorials 4 | Chapter 1. 二维 隧道施工阶段分析 3.1岩土及结构材料定义 岩土材料的情况，按 Mohr-Coulomb 模型定义，结构材料的情况下，适用不考虑非线性的Elastic模型。二等级岩的情况 下，根据K0值，定义共计4

5、个的材料特性。 各地层/结构构件上使用的材料如下表。 单位 : KN, m 名称名称 粉砂 风化岩 二等级岩-1 二等级岩-2 二等级岩-3 二等级岩-4 材料材料 各向同性 各向同性 各向同性 各向同性 各向同性 各向同性 模型类型模型类型 Mohr- Coulomb Mohr- Coulomb Mohr- Coulomb Mohr- Coulomb Mohr- Coulomb Mohr- Coulomb 一般一般 弹性系数(E) 2.0E+04 2.0E+05 1.0E+07 1.0E+07 1.0E+07 1.0E+07 泊松比(v) 0.35 0.33 0.22 0.22 0.22 0

6、.22 单位重量(r) 18 21 26 26 26 26 K0 0.5 0.5 0.5 1.0 1.5 2.0 多孔性材质多孔性材质 单位重量(饱和) 19 22 27 27 27 27 Initial Void Ratio(e0) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 排水参数 排水 排水 排水 排水 排水 排水 非线性非线性 粘着力(C) 0 30 3000 3000 3000 3000 摩擦角 30 33 43 43 43 43 Section 3 定义材料及结构材料 表. 岩土材料 定义岩土材料-一般 定义岩土材料-多孔性材质 定义岩土材料-非线性 Basic Tutori

7、als Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 | 5 单位 : KN, m 名称名称 Soft S/C Hard S/C Rockbolt 材料材料 各向同性 各向同性 各向同性 模型类型模型类型 Elastic Elastic Elastic 弹性系数弹性系数(E)(E) 0.5E+07 1.5E+07 2.10E+08 泊松比泊松比(v)(v) 0.3 0.3 0.3 单位重量单位重量(r)(r) 24 24 78 材料特性可以从现有分析文件中引入信息，也可以从按格式整理的Excel文件格式中引入数据。 结构材料的情况下，可以勾选模型类型旁

8、边的结构来定义。在勾选了结构选项的情况下，不考虑相应材料的相关水位 参数。 3.2 定义特性 岩土特性的情况下，设置所使用的岩土材料，结构特性的情况下，添加设置结构构件种类及切面形状（切面刚性）。 抵 抗拉压/剪切/弯曲的喷射混凝土，使用 Beam 单元，只能抵抗拉力的锚杆，使用 Truss单元。 Beam 单元是基于 2-3个的节点定义的一维线单元，与切面的尺寸相比，主要在长度长的构件受弯曲变形时可以使用。对 长度的切面的宽度以及高度比大于 1/5 的情况下，基于剪切变形的影响非常大，因此，最好使用shell 单元或 solid单元而 不是beam单元。 Truss 单元是基于 2 个节点定

9、义的一维线单元，一般与空间桁架(space truss) 以及对角拉条(diagonal brace) 等相比，可 以在模拟长度较长的构件时使用。主要在建模忽略弯曲行为的结构性单元如锚、钉、锚杆时使用。 各结构构件的特性如下表。 表. 结构材料 结构材料的定义 Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 Basic Tutorials 6 | Chapter 1. 二维 隧道施工阶段分析 单位 : KN, m 名称名称 粉砂 风化岩 二等级岩-1 二等级岩-2 二等级岩-3 二等级岩-4 种类种类 2D 2D 2D 2D 2D 2D 界面种类界面种类 平面应变 平面应变 平面应变 平面应变 平

10、面应变 平面应变 材料材料 粉粉砂砂 风化岩风化岩 二等级岩二等级岩-1 二等级岩二等级岩-2 二等级岩二等级岩-3 二等级岩二等级岩-4 各结构构件的特性如下表。若设置切面形状则自动计算切面刚性。 单位 : KN, m 名称名称 Soft S/C Hard S/C 锚杆 种类种类 1D 1D 1D 模型类型模型类型 梁 梁 桁架 材料材料 Soft S/C Hard S/C Rockbolt 切面间距切面间距 - - 1.5 切面形状切面形状 实心矩形 实心矩形 实心圆形 切面大小切面大小 H=0.12, B=1 H=0.12, B=1 D=0.025 表. 岩土特性 定义岩土特性 定义结构

11、特性 Basic Tutorials Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 | 7 Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 Basic Tutorials 8 | Chapter 1. 二维 隧道施工阶段分析 本例题针对二维形状及单元的生成、各阶段及结果分析的重点，从基本的岩土/结构材料特性输入的启动文件开始学习。 4.1 建模几何形状 * * : : 导入导入 DXF DXF 2D(2D(线框线框) ) (Main Menu Import DXF 2D(Wireframe)(Main Menu Import DXF 2D(Wirefram

12、e). .) ) 可以引入AutoCAD R13 以上版本的 DXF 文件。 引入01_1arch.dxf 文件。 * * : : 几何几何 顶点与曲线顶点与曲线 交叉分割交叉分割 (Geometry Point & Curve Intersect)(Geometry Point & Curve Intersect) 为在交叉的部分创建节点而执行这项操作。 选择所有的线后点击确认。. * * : : 几何几何 移除移除 面面/ /边边 (Geometry Remove Face/Edge)(Geometry Remove Face/Edge) 分割交叉线以后确认是否存在微小线(small ed

13、ge)。 选择所有的线，微小线的值输入为 0.01。 若点击查找查找，则在结果窗口显示小于 0.01的线。 选择相应的线来确认位置，若是不必要的线则删除删除。 存在微小线或微小面的情况下，相应位置上将生成节点。如此微小节点的情况下，可能会在相应位置上显示位移或应 力集中的结果，在复杂的模型上也许不能正常生成网格所以一定要清除微小线或微小面。 Section 4 建模 简化-面/线删除 Basic Tutorials Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 | 9 4.2 创建网格 * * : : 网格网格 控制控制 尺寸控制尺寸控制(Mesh C

14、ontrol Size Ctrl.)(Mesh Control Size Ctrl.) 预先指定单元的大小。 选择有关隧道的所有线。 分割尺寸上输入 0.8后点击 适用键。 网格的形状及质量在有限元分析上是非常重要的部分。主要在基于压缩、剪切变形发生塑性破坏的岩土的情况下，三 维以六面体为主、二维以矩形为主生成网格对稳定分析有帮助。利用映射网格或六面体中心的混合自动网格功能创建 网格。虽然单元的尺寸越小越能生成好质量，但考虑到分析的效率性最好还是决定大小。 可是根据设置的小尺寸也会增加分析时间，所以在查看结果的区域（隧道附近）上生成比其它部分更稠密的网格。 指定的线的大小可以勾选工作目录树 控

15、制网格 指定大小项来设置屏幕上的显示。 * * : : 网网格格 生成生成 2D2D (Mesh Generate 2D)(Mesh Generate 2D) 在平面上，对按边界线定义的平面上的区域创建二维网格。 在自动-区域表单上选择所有线（5454个）。 单元大小设置为5。 内部区域上勾选网格。 特性指定为二等级岩-1。 创建网格(自动-区域) Chapter 1. 二维隧道施工阶段分析 Basic Tutorials 10 | Chapter 1. 二维 隧道施工阶段分析 创建网格时选择的区域在内/外部两区域存在的情况下，勾选内部区域网格 选项，可以在两区域都生成网格。 内部区域是指不与

16、外部边界连接而是在整体区域内部存在的区域。例如，在矩形区域的内部多一个小的矩形时，内部 的小矩形成为内部区域。但是在小矩形和外部大矩形以线形成的情况下，小的矩形再也不是内部区域。 (a) 存在内部区域 (b) 没有内部区域 修改名称及物性 修改生成的网格的名称。在左侧工作目录树上利用 F2键可以修改名称。修改物性的情况下，可以通过修改单 元参数修改其它特性。 在左侧工作目录树 网格上，通过勾选框用屏幕确认相应网格组区域后，利用F2键修改名称。 * * : : 网格网格 单元单元 网格网格参数参数 (Mesh Elem(Mesh Element Parameters)ent Parameters) 改变创建的网格的特性。 选择二维表单 Basic Tutorials Chap