Midas GTS軟件在建模中的應(yīng)用

張卉

湖北工業(yè)大學(xué)（430068）

Midas GTS軟件在建模中的應(yīng)用

張卉

湖北工業(yè)大學(xué)（430068）

這里主要介紹了Midas GTS軟件在適用領(lǐng)域及工程中的應(yīng)用，結(jié)合深圳地鐵9號線的一段盾構(gòu)機下穿建筑物樁基的工程實例建立實例模型，講述Midas GTS軟件在操作過程中需要注意的關(guān)鍵問題。通過對于Midas GTS軟件的在操作中的問題，工程實例中運用Midas GTS軟件進(jìn)行探討。

Midas GTS；工程應(yīng)用；建模

巖土工程的多樣性和復(fù)雜性一直是巖土工程研究的重點課題，可以說是巖土工程研究進(jìn)程中的“攔路虎”，運用有限元分析軟件可以直觀的建立工程實況模型。

1 Midas GTS軟件簡介

Midas GTS是由韓國MIDAS IT公司自主開發(fā)研制的一套關(guān)于三維巖土有限元模型分析軟件。它把巖土隧道結(jié)構(gòu)的專業(yè)性要求與通用的有限元分析內(nèi)核有機地結(jié)合在一起，集合了目前常用的巖土隧道分析軟件的優(yōu)點。該軟件包括非穩(wěn)定滲流分析、施工階段分析、非線性彈塑性分析、滲流-應(yīng)力耦合分析、固結(jié)分析、動力分析等。在巖土分析及隧道設(shè)計計算方面，Midas GTS軟件是解決方案的最佳選擇之一，其具有分析巖土隧道設(shè)計計算基本分析功能，為使用者提供了許多最新最全面的分析理論在內(nèi)的分析功能[1]。

1.1 Midas GTS操作界面優(yōu)勢

Midas GTS軟件，以全中文的操作界面，具有處理前直觀親和性、分析功能多樣性、材料本構(gòu)模型的豐富性，后處理簡潔全面，在國內(nèi)外眾多大型巖土工程以及隧道工程中得到廣泛的應(yīng)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總體上大致可以分為三大基本組成部分。即建立分析模型部分、定義施工階段求解部分和輸出計算結(jié)果部分。

Midas GTS是一個很大的應(yīng)用軟件，全面掌握并熟練應(yīng)用非常困難。學(xué)習(xí)該軟件最重要的是學(xué)會如何在所研究的學(xué)科中應(yīng)用好Midas GTS,如何在Midas GTS中準(zhǔn)確獲取自己所需要的信息。

2 Midas GTS建模求解中可能會遇到的常見關(guān)鍵問題

2.1 建立實體模型

直觀反映工程實際情況的實體模型是建立正確的有限元模型的前提。所建立的實體模型的通常由兩部分組成，幾何模型和材料的本構(gòu)模型。這兩者的正確選擇十分重要，是一個模型建立成功與否的關(guān)鍵所在。在最初建立有限元模型的時候，首先建立基坑的幾何模型，因為所建立的幾何模型是為實際的工程情況服務(wù)的，因此必須準(zhǔn)確的反映工程實際情況，同時應(yīng)充分考慮將會影響基坑的多種因素，盡可能地確定真實情況下的邊界條件和外部超載，以確保建立正確的模型。建模方法主要可以分為直接法和間接法兩種。直接法是根據(jù)工程的外形直接建立節(jié)點和單元建立簡單的實體模型；間接法則是先建立幾何模型，然后劃分網(wǎng)格，建立有限元模型，用于幾何外形比較復(fù)雜的實體模型。

2.2 初始狀態(tài)問題

通常情況下，施工前的位移是經(jīng)過長期的固結(jié)沉降產(chǎn)生的,在研究中只需關(guān)注施工后的位移變化，所以，初始地應(yīng)力場下所有網(wǎng)格節(jié)點的位移應(yīng)該全部清零。

Midas GTS軟件運用軟件中的“位移清零”功能代替了其他很多分析軟件，在分析時將初始應(yīng)力等效應(yīng)荷載，加到模型上，進(jìn)行分析計算出的內(nèi)力與變形之后,再減去由初始應(yīng)力所引起的內(nèi)力與變形。避免了操作繁瑣，模型計算的精確性也得到很大的提高。如圖1和圖2所示。

在施工階段中采用了置換單元材料屬性的方法:管片位置處的單元最初為土體材料屬性，隨著掘進(jìn)施工的推進(jìn)逐漸置換為管片材料屬性并加上接觸單元。對盾構(gòu)機掘進(jìn)過程中施工階段的模擬，有助于對施工過程安全隱患的預(yù)警，可以得到不同施工階段中土體、管片、樁基及建筑物的變形和受力情況，本次模擬分析包括18個施工階段:一個初始階段（計算初始地應(yīng)力場）和17個盾構(gòu)機掘進(jìn)階段。

圖1 初始地應(yīng)力場下位移為零

圖2 初始地應(yīng)力場

2.3 單元的激活與鈍化

在基坑開挖的施工過程中，通常需要使用必要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，來保證基坑的穩(wěn)定性。常用有限元軟件中的單元對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真數(shù)值模擬。常用到的單元有:桿梁線單元、板殼面單元以及最常在工程實例中見到的實體單元。在使用之前，先要使圍護(hù)單元置于“空單元”狀態(tài)，完成后在設(shè)置的適當(dāng)施工工況中來恢復(fù)圍護(hù)單元的單元屬性，以實現(xiàn)對基坑的圍護(hù)。通常在運用Midas GTS軟件中的“激活”與“鈍化”命令來重新賦予材料屬性。

3 地鐵車站深基坑工程模擬

地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性直接影響著地上建筑物的安全運行。地基基礎(chǔ)一旦不穩(wěn)定就有可能會造成建筑物發(fā)生嚴(yán)重的質(zhì)量事故。小則墻體開裂，大則建筑物傾斜等，甚至有可能會發(fā)生倒塌事故。尤其是當(dāng)建筑物的位置剛好處于斜坡上時，地基有可能會因發(fā)生整體或者局部的剪切破壞而喪失穩(wěn)定性,因此要想要保證建筑物的安全，首先必須保證建筑物地基基礎(chǔ)的安全性。所以，對建筑物地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性分析具有重要的理論意義和實用價值[3-4]。在實際的工程運用中，通常會先將地基的基礎(chǔ)視作共同的工作系統(tǒng)，通過觀測地基基礎(chǔ)的整體和局部的變形或者觀測其上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)，來判斷基礎(chǔ)和樁的使用狀態(tài)，并結(jié)合以往的工程經(jīng)驗來評定基礎(chǔ)以及樁的安全性。有時會利用Midas GTS軟件從分析地基應(yīng)力場和應(yīng)變場的分布，樁基的位移和變形，邊坡穩(wěn)定性等幾個方面對于人工地基的穩(wěn)定性進(jìn)行評估，然后再進(jìn)行綜合評定。建立高嘉花園和向貴樓位置處復(fù)合地層模型，研究具有建筑物基礎(chǔ)的復(fù)合地層中盾構(gòu)掘機進(jìn)對建筑物的影響，研究盾構(gòu)機穿越復(fù)合地層時如何對建筑的保護(hù)以及如果利用有效措施控制復(fù)雜地質(zhì)情況下盾構(gòu)機施工的地層沉降。大致工程概況模型如圖3所示[5]。

圖3 高嘉花園和向貴樓位置處復(fù)合地層模型

1）有限元模型在建模中的網(wǎng)格劃分

在使用有限元軟件建立模型時，精密度以及構(gòu)建均勻性網(wǎng)格劃分，對建模能否成功起關(guān)鍵性的作用，在Midas GTS軟件中常常使用K-線命令由建立幾何形狀直接生產(chǎn)網(wǎng)格，在建立高嘉花園和向貴樓位置處復(fù)合地層模型時土體單元尺寸為1.5 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸1 m。為了使建立的地下連續(xù)墻網(wǎng)格以及土體網(wǎng)格相耦合,使用軟件中的命令——“析取單元”來建立摩擦面單元。

2）模型中的邊界條件

因為實際工程中，基坑在2倍基坑的最終開挖深度處的巖層為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。由于該土層屬于砂巖，故在所建立的三維模型中，底部節(jié)點的邊界條件就采用了約束Z方向的位移鉸支邊界條件，同時，模型的左右兩側(cè)邊界條件跟前后兩側(cè)都是選用滑動類型邊界條件，所不同的是，前后兩側(cè)約束Y方向，左右兩側(cè)約束X方向。模型中的邊界條件見圖4。同時圖4里的邊界模型也是基于高嘉花園和向貴樓位置處復(fù)合地層模型所建立的研究模型。如圖4所示。

圖4 模型邊界條件

4 小結(jié)

巖土工程的復(fù)雜性和多樣性加大了巖土工程問題研究的難度。運用有限元軟件可以簡化物理模型描述較為復(fù)雜的工程問題，分析了解整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場以及位移場，達(dá)到科學(xué)合理的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。希望隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展,類似Midas GTS的巖土分析軟件能夠不斷優(yōu)化，更加便捷的為巖土工程所運用。

[1]盧廷浩.巖土工程數(shù)值分析[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[2]MIDAS-GTS,用戶手冊[S].北京:北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司,2004.

[3]劉婧.深基坑邊降水邊開挖的變形特性研究.[D]上海交通大學(xué)碩士論文,2010.

[4]裴利華.非穩(wěn)定滲流基坑變形分析[J].鐵道勘察與設(shè)計, 2007(4):52～55.

[5]張志強,何川,等.深圳地鐵一期工程7C標(biāo)段-崗廈區(qū)間隧道施工力學(xué)研究報告[R].成都:西南交通大學(xué),2001.