midas-gts-nx二维隧道施工阶段分析

BasicTutorialsChapter1.二维隧道施工阶段分析Chapter1.二维隧道施工阶段分析|1二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。•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。Section1学习目的及概要Chapter1.二维隧道施工阶段分析BasicTutorials2|Chapter1.二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BasicTutorialsChapter1.二维隧道施工阶段分析Chapter1.二维隧道施工阶段分析|3[启动附加的开始文件(01_1arch_start)]*:分析分析工况设置(AnalysisAnalysisCaseSetting)•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。Section2设置分析条件▶设置分析条件Chapter1.二维隧道施工阶段分析BasicTutorials4|Chapter1.二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Mohr-CoulombMohr-CoulombMohr-CoulombMohr-CoulombMohr-CoulombMohr-Coulomb一般弹性系数(E)2.0E+042.0E+051.0E+071.0E+071.0E+071.0E+07泊松比(v)0.350.330.220.220.220.22单位重量(r)182126262626K00.50.50.51.01.52.0多孔性材质单位重量(饱和)192227272727InitialVoidRatio(e0)0.50.50.50.50.50.5排水参数排水排水排水排水排水排水非线性粘着力(C)0303000300030003000摩擦角303343434343Section3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BasicTutorialsChapter1.二维隧道施工阶段分析Chapter1.二维隧道施工阶段分析|5[单位:KN,m]名称SoftS/CHardS/CRockbolt材料各向同性各向同性各向同性模型类型ElasticElasticElastic弹性系数(E)0.5E+071.5E+072.10E+08泊松比(v)0.30.30.3单位重量(r)242478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个节点定义的一维线单元，一般与空间桁架(spacetruss)以及对角拉条(diagonalbrace)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Chapter1.二维隧道施工阶段分析BasicTutorials6|Chapter1.二维隧道施工阶段分析[单位:KN,m]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2D2D2D2D2D2D界面种类平面应变平面应变平面应变平面应变平面应变平面应变材料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SoftS/CHardS/C锚杆种类1D1D1D模型类型梁梁桁架材料SoftS/CHardS/CRockbolt切面间距--1.5切面形状实心矩形实心矩形实心圆形切面大小H=0.12,B=1H=0.12,B=1D=0.025▶表.岩土特性▶定义岩土特性▶定义结构特性BasicTutorialsChapter1.二维隧道施工阶段分析Chapter1.二维隧道施工阶段分析|7Chapter1.二维隧道施工阶段分析BasicTutorials8|Chapter1.二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DXF2D(线框)(MainMenuImportDXF2D(Wireframe)...)可以引入AutoCADR13以上版本的DXF文件。•引入01_1arch.dxf文件。*:几何顶点与曲线交叉分割(GeometryPoint&CurveIntersect)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。.*:几何移除面/边(GeometryRemoveFace/Edge)分割交叉线以后确认是否存在微小线(smalledge)。•选择所有的线，微小线的值输入为0.01。•若点击[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]。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。Section4建模▶简化-面/线删除BasicTutorialsChapter1.二维隧道施工阶段分析Chapter1.二维隧道施工阶段分析|94.2创建网格*:网格控制尺寸控制(MeshControlSizeCtrl.)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制网格指定大小项来设置屏幕上的显示。*:网格生成2D(MeshGenerate2D)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（54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)Chapter1.二维隧道施工阶段分析BasicTutorials10|Chapter1.二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。*:网格单元网格参数(MeshElementParameters)改变创建的网格的特性。•选择二维表单BasicTutorialsChapter1.二维隧道施工阶段分析Chapter1.二维隧道施工阶段分析|11•参考下面切面图指定要修改的网格和特性后点击[适用]键。(选择修改特性目标时利用左侧工作目录树上登录的网格组就能轻松的选择相应网格。)•通过视图模式（网格）特性颜色可以确认单元上输入的物性信息。*:网格单元析取(MeshElementExtract)是创建初次支撑材料的喷混和锚杆的过程。喷混是抵抗拉压/剪切/弯曲的Beam单元，锚杆按只抵抗拉力的Truss单元建模。Beam/Truss单元都应当共享岩土和节点，因此使用提取子单元。•选择有关上部喷混的线。(参考第二页分析切面)•特性指定为Softs/c。•网格组输入上部s/c。•用同样的方法创建下部s/c、上部rb、下部rb网格。▶创建上部Shotcrete▶▶创建下部Shotsrete▶创建上部Rockbolt▶▶创建下部RockboltChapter1.二维隧道施工阶段分析BasicTutorials12|Chapter1.二维隧道施工阶段分析*:网格单元单元参数(MeshElementParameters)是设置单元坐标系的过程。Beam/Truss单元的构件力以单元坐标系(ElementCoordinateSystem)为准输出。根据单元生成顺序和方向决定单元坐标系，所以为了输出基准方向一致的构件内力，在生成单元时应当考虑单元坐标系建模。•在工作目录树网格组上选择上部sc、下部sc、上部rb、下部rb。•在右击鼠标上下文菜单上勾选显示单元坐标系。•在网格单元单元参数一维表单的下拉菜单上选择修改坐标系。•方向不同的各单元利用翻转方向(X-轴)设置使其拥有同一的方向。▶修改单元参数–坐标系BasicTutorialsChapter1.二维隧道施工阶段分析Chapter1.二维隧道施工阶段分析|13▶单元坐标系排序前▶▶单元坐标系排序后Chapter1.二维隧道施工阶段分析BasicTutorials14|Chapter1.二维隧道施工阶段分析5.1设置荷载条件*:静态/边坡分析荷载自重(Static/SlopeAnalysisLoadSelfWeight)是设置自重的过程。岩土、结构构件上输入的单位重量乘以自动设置的重力加速度后自动计算。可以输入基于方向的比例因子简单的设置，对重力方向设定