GTS公路隧道分析设计专题讲解

岩土事业部：邓成豪GTSNX公路隧道分析设计专题2015年12月17日midasGTSNX适用工程案例(隧道、桩基、管道、坝体、渗流、软基处理、闸门、边坡、基坑、泵站)GTSNX适用范围：——地形复杂，用一些代表性剖面无法真实模拟现场条件时——地层沿纵向的分布变化较大，纵向分析结果影响横向结果时，需要做空间分析补充计算——结构纵横向布置有交叉，无法忽略相互影响时——三维渗流、抗震等稳定性分析时地下建筑结构的设计计算方法一般分类我国设计计算方法一般分以下4类：工程类比法

（严格说并非计算方法）荷载结构法：主动荷载、主动荷载+弹性抗力地层结构法：共同承载，连续介质理论。收敛限制法：属地层结构法，弹塑-粘性理论数值法、解析法可用于上列后3种方法的任意一种计算模型：平面模型、空间模型5荷载结构法的定义荷载结构法认为：

地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结

构上的荷载（包括主动地层压力和被动地层抗

力）

以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的

方法称为荷载——结构法，该方法有时又称为

结构力学法。荷载-结构法的设计原理先给出地层对结构的荷载（土、水压力），再按结构力学方法计算。关键是荷载的确定方法！

作用于隧道的混凝土衬砌的荷载有自重、松弛荷载、残留水压、温度荷载及干燥收缩温度荷载等，应当考虑地基条件、隧道截面的形状和大小、施工方法、支护材料及混凝土衬砌的施工时期、防水及排水形式等荷载组合。1.自重

一般情况下，混凝土衬砌的自重按设计荷载考虑，在分析程序中被自动的考虑。

无筋混凝土的容重:Υc=23.5kN/m3

钢筋混凝土的容重

:Υc=25.0kN/m32.土压力/松弛荷载基于NATM的隧道设计时，虽然地基按支护材料作为基本，但在隧道中因预想不到的地压的作用有引起隧道腹孔的变形和损伤的情况，需要考虑这些后“适用”松弛荷载。松弛荷载的大小需要考虑初应力、地基条件、隧道截面大小、隧道上部地基的厚度、挖掘施工法、挖掘方法、支护材料、混凝土衬砌的施工时期等。松弛荷载计算方法有弹性波不同速度松弛区域高度、基于RMR的支护荷载、基于ROSE修正的Terzaghi岩石荷载、基于日本道路园区设计要领的岩质区分的松弛区域高度、基于爆破影响的松弛荷载等。

永久荷载分项系数：当永久荷载对结构产生的效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，取1.35。当产生的效应对结构有利时，取1.0当验算倾覆、滑移或漂移时，取0.9。可变荷载分项系数：一般情况下1.4；但对工业房屋的楼面结构，当其活荷载大于4KN/m2时，取1.3.

相当于把围岩简化为一系列彼此独立的弹簧（仅受压），某一弹簧受到压缩时所产生的反作用力只与该弹簧有关，而与其它弹簧无关。对于不同结构或介质，弹性抗力系数值不同，可根据实际经验或参考相关规范确定。衬砌模型梁岩土模型只受压弹簧.Ks:地基弹簧系数Es/R:每单位切线长度的地基弹簧系数Es:周边地基的弹性系数R:等效换算衬砌半径

(R=√(A/π)

在实际工程中，平移支承通常用来模拟结构下部桩(Pile)或地基的刚度。地基弹簧系数可使用地基基床系数(ModulusofSubgrade

Reaction)乘以相应节点的从属面积(TributaryArea)计算而得，应该注意地基只能抵抗压力的作用。如下图所示，在边长度为5m的两个正方形单元边界上建立面弹簧，当输入100tonf/m3的地基反力系数时，第一个节点和最后一个节点的有效面积为2.5m2，中间节点的有效面积是5m2，弹簧刚度为地基反力系数乘以有效面积，自动计算的两端节点和中间的弹簧刚度分别为250tonf/m、

500tonf/m

。•

曲面弹簧可以自动生成固定约束边界条件，而弹性连接

还要自己手动生成。•

仅压、仅拉弹簧不可以做施工阶段分析，而一般弹簧可

以做施工阶段分析。做施工阶段分析时可采用一般弹簧

代替仅压、仅拉弹簧：x向弹簧常量设为既定值，其余

弹簧常量设为0。•

做结构荷载法分析时，用仅压、仅拉弹簧要注意结构是

不是非稳定情况。要在合适的位置加一x向约束。与地层结构法的区别地层结构法：

把地下结构与地层作为一个受力变形的整体，

按照连续介质力学原理来计算地下建筑结构以

及周围地层的变形；

不仅计算出衬砌结构的内力及变形，而且计算

周围地层的应力，充分体现周围地层与地下建

筑结构的相互作用。与地层结构法的区别地层结构法：

由于地层结构法相对荷载结构法，充分考虑了

地下结构与周围地层的相互作用。结合具体的

施工过程可以充分模拟地下结构以及周围地层

在每一个施工工况的结构内力以及周围地层的

变形更能符合工程实际。因此，在今后的研究

和发展中地层结构法将得到广泛应用和发展。

适用性强（各种地层、洞室，非线性，施工过

程等）；缺点：本构关系难以准确给出。输入

参数不正确，则给出错误结果。土分析时的边界约束条件:

一般岩土分析的地基约束如下图所示，在左右两侧约束X方向的平动自由度在底部约束X、Z两个方向的平动自由度。用户手动定义岩土的约束条件较为繁琐，因此建议使用“考虑所有单元网格组”选项，由程序自动搜索边界生成合适的边界条件。1.本构模型的选取2.参数取值3.边界范围的确定4.荷载施加（超载、高地应力、爆破分析）5.复杂工况的实现（施工阶段的定义）6.荷载分担比率（LDF）7.初始地应力分析（K0）土体本构/参数的选择弹性

特雷斯卡范梅塞斯莫尔-库仑德鲁克-普拉格霍克-布朗邓肯-张

D-minJardine模型修正莫尔-库仑用户自定义本构横向各向同性节理岩体应变软化修正剑桥模型

参数取值说明•刚度增加：真实的土体，刚度在很大程度上依赖于应力水平，这就意

味着刚度通常随着深度的增加而增加。•弹性模量说明：由于土体的非线性比较强，因此如下图：土体的弹性

模量为红色（切线模量），压缩模量（割线模量，通过试验原理可以

知道）为蓝色。弹性模量肯定是大于压缩模量的，这也是我们在计算

土体时，模型计算位移偏大的原因。因此我们在计算土体（尤其是软

土）时，需要将弹性模量增大3-5倍。•对于岩体来说，由于破坏前变形近似于直线，切线模量和割线模量比

起来基本相同，因此检测得到的数据也大致以弹性模量的形式出现。

但是由于岩体中存在着一些裂缝等等因素，影响到变形情况，降低整

体刚度，所以如果完全按照提供的数值计算，位移反而偏小，因此有

的时候计算时候需要降低弹性模量（在规范中也对于岩体受到破坏等

等因素影响考虑进去后，将围岩分级）。•对于土体来说，计算的时候弹性模量需要增大，对于岩体弹性模量根

据实际情况需要降低边界条件大小合理选取荷载施加（1）高地应力施加

（2）超载

（3）爆破荷载A.特征值分析

控制分析-动力-阻尼方法：系数计算，模式1、2下的周期B.时