Midas GTS软件在建模中的应用

2015-01-14张卉

河南建材 2015年3期

关键词：边界条件岩土基坑

张卉

湖北工业大学（430068）

Midas GTS软件在建模中的应用

张卉

湖北工业大学（430068）

这里主要介绍了Midas GTS软件在适用领域及工程中的应用，结合深圳地铁9号线的一段盾构机下穿建筑物桩基的工程实例建立实例模型，讲述Midas GTS软件在操作过程中需要注意的关键问题。通过对于Midas GTS软件的在操作中的问题，工程实例中运用Midas GTS软件进行探讨。

Midas GTS；工程应用；建模

岩土工程的多样性和复杂性一直是岩土工程研究的重点课题，可以说是岩土工程研究进程中的“拦路虎”，运用有限元分析软件可以直观的建立工程实况模型。

1 Midas GTS软件简介

Midas GTS是由韩国MIDAS IT公司自主开发研制的一套关于三维岩土有限元模型分析软件。它把岩土隧道结构的专业性要求与通用的有限元分析内核有机地结合在一起，集合了目前常用的岩土隧道分析软件的优点。该软件包括非稳定渗流分析、施工阶段分析、非线性弹塑性分析、渗流-应力耦合分析、固结分析、动力分析等。在岩土分析及隧道设计计算方面，Midas GTS软件是解决方案的最佳选择之一，其具有分析岩土隧道设计计算基本分析功能，为使用者提供了许多最新最全面的分析理论在内的分析功能[1]。

1.1 Midas GTS操作界面优势

Midas GTS软件，以全中文的操作界面，具有处理前直观亲和性、分析功能多样性、材料本构模型的丰富性，后处理简洁全面，在国内外众多大型岩土工程以及隧道工程中得到广泛的应用[2]。

1.2 Midas GTS分析求解的流程分步

Midas GTS的一般分析求解流程总体上大致可以分为三大基本组成部分。即建立分析模型部分、定义施工阶段求解部分和输出计算结果部分。

Midas GTS是一个很大的应用软件，全面掌握并熟练应用非常困难。学习该软件最重要的是学会如何在所研究的学科中应用好Midas GTS,如何在Midas GTS中准确获取自己所需要的信息。

2 Midas GTS建模求解中可能会遇到的常见关键问题

2.1 建立实体模型

直观反映工程实际情况的实体模型是建立正确的有限元模型的前提。所建立的实体模型的通常由两部分组成，几何模型和材料的本构模型。这两者的正确选择十分重要，是一个模型建立成功与否的关键所在。在最初建立有限元模型的时候，首先建立基坑的几何模型，因为所建立的几何模型是为实际的工程情况服务的，因此必须准确的反映工程实际情况，同时应充分考虑将会影响基坑的多种因素，尽可能地确定真实情况下的边界条件和外部超载，以确保建立正确的模型。建模方法主要可以分为直接法和间接法两种。直接法是根据工程的外形直接建立节点和单元建立简单的实体模型；间接法则是先建立几何模型，然后划分网格，建立有限元模型，用于几何外形比较复杂的实体模型。

2.2 初始状态问题

通常情况下，施工前的位移是经过长期的固结沉降产生的,在研究中只需关注施工后的位移变化，所以，初始地应力场下所有网格节点的位移应该全部清零。

Midas GTS软件运用软件中的“位移清零”功能代替了其他很多分析软件，在分析时将初始应力等效应荷载，加到模型上，进行分析计算出的内力与变形之后,再减去由初始应力所引起的内力与变形。避免了操作繁琐，模型计算的精确性也得到很大的提高。如图1和图2所示。

在施工阶段中采用了置换单元材料属性的方法:管片位置处的单元最初为土体材料属性，随着掘进施工的推进逐渐置换为管片材料属性并加上接触单元。对盾构机掘进过程中施工阶段的模拟，有助于对施工过程安全隐患的预警，可以得到不同施工阶段中土体、管片、桩基及建筑物的变形和受力情况，本次模拟分析包括18个施工阶段:一个初始阶段（计算初始地应力场）和17个盾构机掘进阶段。

图1 初始地应力场下位移为零

图2 初始地应力场

2.3 单元的激活与钝化

在基坑开挖的施工过程中，通常需要使用必要的围护结构，来保证基坑的稳定性。常用有限元软件中的单元对围护结构进行仿真数值模拟。常用到的单元有:杆梁线单元、板壳面单元以及最常在工程实例中见到的实体单元。在使用之前，先要使围护单元置于“空单元”状态，完成后在设置的适当施工工况中来恢复围护单元的单元属性，以实现对基坑的围护。通常在运用Midas GTS软件中的“激活”与“钝化”命令来重新赋予材料属性。

3 地铁车站深基坑工程模拟

地基基础的稳定性直接影响着地上建筑物的安全运行。地基基础一旦不稳定就有可能会造成建筑物发生严重的质量事故。小则墙体开裂，大则建筑物倾斜等，甚至有可能会发生倒塌事故。尤其是当建筑物的位置刚好处于斜坡上时，地基有可能会因发生整体或者局部的剪切破坏而丧失稳定性,因此要想要保证建筑物的安全，首先必须保证建筑物地基基础的安全性。所以，对建筑物地基基础的稳定性分析具有重要的理论意义和实用价值[3-4]。在实际的工程运用中，通常会先将地基的基础视作共同的工作系统，通过观测地基基础的整体和局部的变形或者观测其上部结构反应，来判断基础和桩的使用状态，并结合以往的工程经验来评定基础以及桩的安全性。有时会利用Midas GTS软件从分析地基应力场和应变场的分布，桩基的位移和变形，边坡稳定性等几个方面对于人工地基的稳定性进行评估，然后再进行综合评定。建立高嘉花园和向贵楼位置处复合地层模型，研究具有建筑物基础的复合地层中盾构掘机进对建筑物的影响，研究盾构机穿越复合地层时如何对建筑的保护以及如果利用有效措施控制复杂地质情况下盾构机施工的地层沉降。大致工程概况模型如图3所示[5]。

图3 高嘉花园和向贵楼位置处复合地层模型

1）有限元模型在建模中的网格划分

在使用有限元软件建立模型时，精密度以及构建均匀性网格划分，对建模能否成功起关键性的作用，在Midas GTS软件中常常使用K-线命令由建立几何形状直接生产网格，在建立高嘉花园和向贵楼位置处复合地层模型时土体单元尺寸为1.5 m，支护结构尺寸1 m。为了使建立的地下连续墙网格以及土体网格相耦合,使用软件中的命令——“析取单元”来建立摩擦面单元。

2）模型中的边界条件

因为实际工程中，基坑在2倍基坑的最终开挖深度处的岩层为中风化泥质砂岩。由于该土层属于砂岩，故在所建立的三维模型中，底部节点的边界条件就采用了约束Z方向的位移铰支边界条件，同时，模型的左右两侧边界条件跟前后两侧都是选用滑动类型边界条件，所不同的是，前后两侧约束Y方向，左右两侧约束X方向。模型中的边界条件见图4。同时图4里的边界模型也是基于高嘉花园和向贵楼位置处复合地层模型所建立的研究模型。如图4所示。