GTS公路隧道分析設(shè)計(jì)專題講解

巖土事業(yè)部：鄧成豪GTSNX公路隧道分析設(shè)計(jì)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(fù)雜，用一些代表性剖面無(wú)法真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)條件時(shí)——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(shí)，需要做空間分析補(bǔ)充計(jì)算——結(jié)構(gòu)縱橫向布置有交叉，無(wú)法忽略相互影響時(shí)——三維滲流、抗震等穩(wěn)定性分析時(shí)地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法一般分類我國(guó)設(shè)計(jì)計(jì)算方法一般分以下4類：工程類比法

（嚴(yán)格說(shuō)并非計(jì)算方法）荷載結(jié)構(gòu)法：主動(dòng)荷載、主動(dòng)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(jì)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(rèn)為：

地層對(duì)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(dòng)地層壓力和被動(dòng)地層抗

力）

以計(jì)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(shí)又稱為

結(jié)構(gòu)力學(xué)法。荷載-結(jié)構(gòu)法的設(shè)計(jì)原理先給出地層對(duì)結(jié)構(gòu)的荷載（土、水壓力），再按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)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(yīng)當(dāng)考慮地基條件、隧道截面的形狀和大小、施工方法、支護(hù)材料及混凝土襯砌的施工時(shí)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(shè)計(jì)荷載考慮，在分析程序中被自動(dòng)的考慮。

無(wú)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(shè)計(jì)時(shí)，雖然地基按支護(hù)材料作為基本，但在隧道中因預(yù)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(yīng)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(hù)材料、混凝土襯砌的施工時(shí)期等。松弛荷載計(jì)算方法有彈性波不同速度松弛區(qū)域高度、基于RMR的支護(hù)荷載、基于ROSE修正的Terzaghi巖石荷載、基于日本道路園區(qū)設(shè)計(jì)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(xiàng)系數(shù)：當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的組合取1.2；對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合，取1.35。當(dāng)產(chǎn)生的效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)，取1.0當(dāng)驗(yàn)算傾覆、滑移或漂移時(shí)，取0.9?？勺兒奢d分項(xiàng)系數(shù)：一般情況下1.4；但對(duì)工業(yè)房屋的樓面結(jié)構(gòu)，當(dāng)其活荷載大于4KN/m2時(shí)，取1.3.

相當(dāng)于把圍巖簡(jiǎn)化為一系列彼此獨(dú)立的彈簧（僅受壓），某一彈簧受到壓縮時(shí)所產(chǎn)生的反作用力只與該彈簧有關(guān)，而與其它彈簧無(wú)關(guān)。對(duì)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)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(shí)際工程中，平移支承通常用來(lái)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(yīng)節(jié)點(diǎn)的從屬面積(TributaryArea)計(jì)算而得，應(yīng)該注意地基只能抵抗壓力的作用。如下圖所示，在邊長(zhǎng)度為5m的兩個(gè)正方形單元邊界上建立面彈簧，當(dāng)輸入100tonf/m3的地基反力系數(shù)時(shí)，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效面積為2.5m2，中間節(jié)點(diǎn)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(dòng)計(jì)算的兩端節(jié)點(diǎn)和中間的彈簧剛度分別為250tonf/m、

500tonf/m

。?

曲面彈簧可以自動(dòng)生成固定約束邊界條件，而彈性連接

還要自己手動(dòng)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(shí)可采用一般彈簧

代替僅壓、僅拉彈簧：x向彈簧常量設(shè)為既定值，其余

彈簧常量設(shè)為0。?

做結(jié)構(gòu)荷載法分析時(shí)，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(gè)受力變形的整體，

按照連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理來(lái)計(jì)算地下建筑結(jié)構(gòu)以

及周圍地層的變形；

不僅計(jì)算出襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形，而且計(jì)算

周圍地層的應(yīng)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(duì)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(guò)程可以充分模擬地下結(jié)構(gòu)以及周圍地層

在每一個(gè)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(shí)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(yīng)用和發(fā)展。

適用性強(qiáng)（各種地層、洞室，非線性，施工過(guò)

程等）；缺點(diǎn)：本構(gòu)關(guān)系難以準(zhǔn)確給出。輸入

參數(shù)不正確，則給出錯(cuò)誤結(jié)果。土分析時(shí)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(dòng)自由度在底部約束X、Z兩個(gè)方向的平動(dòng)自由度。用戶手動(dòng)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(xiàng)，由程序自動(dòng)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(yīng)力、爆破分析）5.復(fù)雜工況的實(shí)現(xiàn)（施工階段的定義）6.荷載分擔(dān)比率（LDF）7.初始地應(yīng)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(kù)侖德魯克-普拉格霍克-布朗鄧肯-張

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

參數(shù)取值說(shuō)明?剛度增加：真實(shí)的土體，剛度在很大程度上依賴于應(yīng)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(shuō)明：由于土體的非線性比較強(qiáng)，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(guò)試驗(yàn)原理可以

知道）為藍(lán)色。彈性模量肯定是大于壓縮模量的，這也是我們?cè)谟?jì)算

土體時(shí)，模型計(jì)算位移偏大的原因。因此我們?cè)谟?jì)算土體（尤其是軟

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

起來(lái)基本相同，因此檢測(cè)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(jì)算，位移反而偏小，因此有

的時(shí)候計(jì)算時(shí)候需要降低彈性模量（在規(guī)范中也對(duì)于巖體受到破壞等

等因素影響考慮進(jìn)去后，將圍巖分級(jí)）。?對(duì)于土體來(lái)說(shuō)，計(jì)算的時(shí)候彈性模量需要增大，對(duì)于巖體彈性模量根

據(jù)實(shí)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(yīng)力施加

（2）超載

（3）爆破荷載A.特征值分析

控制分析-動(dòng)力-阻尼方法：系數(shù)計(jì)算，模式1、2下的周期B.時(shí)