1、MidasMidas工程师、各位岩土专家工程师、各位岩土专家工程师、各位岩土专家工程师、各位岩土专家下午好！下午好！下午好！下午好！GTS基坑分析常见问题基坑分析常见问题探讨探讨华工华工:杨春山杨春山No.2 复杂深基坑分析常见问题复杂深基坑分析常见问题 No.3 复杂基坑实例分析复杂基坑实例分析 No.4 结语结语目录目录No.1 基坑分析建模分类基坑分析建模分类 1 基坑分析建模类型(1)、全部自动划分四面体单元、全部自动划分四面体单元 通过自动划分网格，全为四面体单通过自动划分网格，全为四面体单元。特点：不需要太多的竖向、横向尺元。特点：不需要太多的竖向、横向尺寸控制，自动划分实体单元即2、可；对于寸控制，自动划分实体单元即可；对于几何模型，各种结构物之间、结构物与几何模型，各种结构物之间、结构物与土层之间布尔运算过凡，易出现不耦合，土层之间布尔运算过凡，易出现不耦合，且对于三维模型往往单元数过多，且对于三维模型往往单元数过多，增加增加了运算成本。了运算成本。适用范围：有多个方向上截面尺寸适用范围：有多个方向上截面尺寸要求；或者有两个方向尺寸要求，其中要求；或者有两个方向尺寸要求，其中一个方向截面形式差异范围占总体模型一个方向截面形式差异范围占总体模型该方向尺寸比例大。该方向尺寸比例大。1 基坑分析建模类型(2)、六面体、六面体+四面体单元四面体单元 两个或两个以上方向有尺寸要求3、，两个或两个以上方向有尺寸要求，但处在整体模型的小范围内，可采用自但处在整体模型的小范围内，可采用自动划分网格与延伸结合的方法，动划分网格与延伸结合的方法，这样可这样可以显著地减少计算模型的单元以显著地减少计算模型的单元，也不失，也不失总体美观。适用范围介于总体美观。适用范围介于1与与3之间。之间。模型单元约减少模型单元约减少2/5以上以上1 基坑分析建模类型(3)、全部延伸六面体单元、全部延伸六面体单元 “化零为整法化零为整法”生成的模型，通生成的模型，通过二维网格延伸生成全部六面体单元。过二维网格延伸生成全部六面体单元。特点：较自动划分网格美观，特点：较自动划分网格美观，单元明单元明显减小4、，降低了运算成本与节省了时显减小，降低了运算成本与节省了时间，间，但延伸时对于前期尺寸控制要求但延伸时对于前期尺寸控制要求较高。适用范围：两个方向以下有尺较高。适用范围：两个方向以下有尺寸要求，或者两个方向尺寸上有要求，寸要求，或者两个方向尺寸上有要求，但是两个方向上截面形状比较规则。但是两个方向上截面形状比较规则。总体模型减总体模型减少少3/4单元单元1 方法延伸 上述类型上述类型3中方法并非仅针对基坑建模分析，如纵、横向弯曲隧道等中方法并非仅针对基坑建模分析，如纵、横向弯曲隧道等都有较好的效果。针对弯曲隧道如果采用常规的思路：建立几何模型都有较好的效果。针对弯曲隧道如果采用常规的思路：建立5、几何模型-布尔运算布尔运算-网格自动划分，这样往往由曲线扫描出来的几何实体与周网格自动划分，这样往往由曲线扫描出来的几何实体与周围实体之间难以进行正常的布尔运算，致模型不耦合无法运算。若采用围实体之间难以进行正常的布尔运算，致模型不耦合无法运算。若采用“化零为整化零为整”的思路，可以简单确保耦合，且无需生成三维实体模型，同时的思路，可以简单确保耦合，且无需生成三维实体模型，同时单元得到很大的减少。如下图所示的小转弯隧道。单元得到很大的减少。如下图所示的小转弯隧道。通过旋转或者扫描通过旋转或者扫描生成半径生成半径250m的小转的小转弯隧道及部分土层。弯隧道及部分土层。根据以有连线根据以有连线 进6、行网格划分进行网格划分保证节点耦合保证节点耦合前提下连线前提下连线 由二维网格由二维网格 延伸成三维延伸成三维 根据实际土层根据实际土层 进行相应延伸进行相应延伸 检查生成的检查生成的 网格是否耦合网格是否耦合 OK！耦合耦合！检查方法检查方法 2 复杂深基坑分析常见问题复杂深基坑分析常见问题本构本构模型模型模型模型单元单元接触接触问题问题Q1：单元问题。在很多时候用六面体元素是比较经济的，六面体单元的一个特点是单元问题。在很多时候用六面体元素是比较经济的，六面体单元的一个特点是它们允许一个比四面体单元大的多的纵横比。四面体单元中的一个大的纵横比总它们允许一个比四面体单元大的多的纵横比。四面体7、单元中的一个大的纵横比总是会影响单元的偏斜，妨碍计算的精确与收敛。这个网格拥有的单元比四面体少是会影响单元的偏斜，妨碍计算的精确与收敛。这个网格拥有的单元比四面体少的多，计算成本显著减小。国外在有限元分析时推荐使用六面体，应力结果更好，的多，计算成本显著减小。国外在有限元分析时推荐使用六面体，应力结果更好，而不推荐四面体。而不推荐四面体。其他其他问题问题Q2：接触问题。当接触单元的刚度远大于其相邻单元刚度时，总刚度矩阵就成为了接触问题。当接触单元的刚度远大于其相邻单元刚度时，总刚度矩阵就成为了病态矩阵，接触面单元中应力会发生波动，引起模型计算不收敛。接触过程在力病态矩阵，接触面单元中应力会发生8、波动，引起模型计算不收敛。接触过程在力学上常常同时涉及三种非线性，包括大变形引起的材料非线性、几何非线性还有学上常常同时涉及三种非线性，包括大变形引起的材料非线性、几何非线性还有接触面非线性（接触面非线性（用线性计算加入接触单元的模型会出问题用线性计算加入接触单元的模型会出问题）。针对这一情况，在。针对这一情况，在 2 复杂深基坑分析常见问题复杂深基坑分析常见问题 此建议采用如下方法。如：土层中含有锚杆、土钉及未等效的围护桩，当要考虑此建议采用如下方法。如：土层中含有锚杆、土钉及未等效的围护桩，当要考虑结构与土层相对滑移时，不要直接用三维网格与线单元接触，可以结构与土层相对滑移时，不要直接用三9、维网格与线单元接触，可以 采用建立实体土钉、采用建立实体土钉、锚杆及桩基，锚杆及桩基，再内嵌植入式桁架、桁架及梁，以获取所需内力。究其原理，加再内嵌植入式桁架、桁架及梁，以获取所需内力。究其原理，加 入式桁架是根据应力应变关系转换，而入式桁架是根据应力应变关系转换，而 植入梁单元则是根据挠曲线微分方程转植入梁单元则是根据挠曲线微分方程转 换。值得注意的是，无论植入那种单元换。值得注意的是，无论植入那种单元 均取刚度为单位刚度，以免影响结果。均取刚度为单位刚度，以免影响结果。2 复杂深基坑分析常见问题复杂深基坑分析常见问题Q3：本构模型问题。：本构模型问题。在土工数值分析中，土的应力在土工数值分10、析中，土的应力-应变关系对计算结果有重大影应变关系对计算结果有重大影响。选择的本构模型应尽可能简单，同时要满足土层变形特点。土体变形性质的响。选择的本构模型应尽可能简单，同时要满足土层变形特点。土体变形性质的一个突出特征是其模量与应力水平有关，卸载模量大于加载模型。有限元分析中，一个突出特征是其模量与应力水平有关，卸载模量大于加载模型。有限元分析中，大家常用理想弹塑性模型，如大家常用理想弹塑性模型，如M-C、D-P等，这些模型未考虑应变硬化与软化，与等，这些模型未考虑应变硬化与软化，与岩土材料实际特性相差甚远，故计算结果往往失真。理想弹塑性模型滞回曲线是岩土材料实际特性相差甚远，故计算结果往往11、失真。理想弹塑性模型滞回曲线是一平行四边形曲线，认为弹性模量与卸载模量一致，这样就容易出现开挖回弹过一平行四边形曲线，认为弹性模量与卸载模量一致，这样就容易出现开挖回弹过大的情况，尤其在基坑工程中这一问题更为凸显。大的情况，尤其在基坑工程中这一问题更为凸显。怎么处理这一问题值得探讨！怎么处理这一问题值得探讨！Q4：流固耦合、多线与体印刻及支护连接问题。流固耦合、多线与体印刻及支护连接问题。2 复杂深基坑分析常见问题复杂深基坑分析常见问题 本例为近接影响分析实例。众所周知，本例为近接影响分析实例。众所周知，新建基坑施工会改变原有地铁的受力状态，新建基坑施工会改变原有地铁的受力状态，从而对既有结构12、从而对既有结构 产生影响。所以基产生影响。所以基 坑施工对周围环境坑施工对周围环境 的影响分析显得的影响分析显得 尤为重要。尤为重要。3 复杂基坑实例分析 3.1 工程概况工程概况28m200m190m既有地铁既有地铁1-1区：区：1m连续墙+锚杆杆2-2区：区：1m连续墙+锚杆杆6-6区：区：1.2m围护桩+锚杆杆+双排双排850搅拌拌桩止水帷幕止水帷幕5-5区：区：1.2m围护桩+锚杆杆+双排双排850搅拌拌桩止水帷幕止水帷幕3-3区：三道支撑区：三道支撑+1m连续墙4-4区：三道支撑区：三道支撑+1m连续墙一道支撑一道支撑3.2 模型的建立模型的建立 2 复杂深基坑分析常见问题复杂深基坑13、分析常见问题 模型中土层采用实体单元，止水帷幕通过土体修改边界属性实现，三维模型中土层采用实体单元，止水帷幕通过土体修改边界属性实现，三维实体单元采用实体单元采用M-C本构模型；围护桩根据刚度等效成板桩，用板（壳）单元本构模型；围护桩根据刚度等效成板桩，用板（壳）单元模拟，锚杆用植入式桁架单元，内支撑结构用梁单元模拟；盾构管片采用板模拟，锚杆用植入式桁架单元，内支撑结构用梁单元模拟；盾构管片采用板（壳）（壳）单元，以上结构均采用弹性模型。地面附加荷载为单元，以上结构均采用弹性模型。地面附加荷载为20kPa.工况工况名称1初始应力分析，位移清零，获取初始应力场2进行既有隧道的开挖与支护，位移清零14、3修建基坑支护桩、止水帷幕+地下连续墙（含冠梁与圈梁）4修建基坑支护立柱5基坑开挖1+支护1+锚杆16基坑开挖2+支护2+锚杆27基坑开挖3+支护3+锚杆3+冠梁8基坑开挖4+锚杆4计算计算工况工况1、建立几何模型。、建立几何模型。3.2 模型的建立模型的建立2、由上几何平面生成、由上几何平面生成2D网格。网格。3.2 模型的建立模型的建立建模过程建模过程3、根据土层厚度、围护与支护结构位置、每次开挖深度等延伸成三维网格。、根据土层厚度、围护与支护结构位置、每次开挖深度等延伸成三维网格。3.2 模型的建立模型的建立建模过程建模过程4、赋予不同土层参数，抠出基坑开挖部分模型。赋予不同土层参数，抠15、出基坑开挖部分模型。3.2 模型的建立模型的建立 5、通过延伸或者吸取单元生、通过延伸或者吸取单元生成围护结构，通过吸取单元和移动成围护结构，通过吸取单元和移动复制网格生成相应支护结构；利用复制网格生成相应支护结构；利用自动划分网格生成锚杆，通过修改自动划分网格生成锚杆，通过修改边界属性来模拟止水帷幕。边界属性来模拟止水帷幕。3.2 模型的建立模型的建立局部支护体系图局部支护体系图建模过程建模过程6、连接右侧几何线体，划分连接右侧几何线体，划分2D网格。网格。3.2 模型的建立模型的建立建模过程建模过程7、延伸生成隧道处三维网格，形成最终的计算总体模型。延伸生成隧道处三维网格，形成最终的计算总16、体模型。3.2 模型的建立模型的建立8、总体计算模型透视图。总体计算模型透视图。建模过程建模过程3.2 模型的建立模型的建立建模过程建模过程3.3 结果与分析结果与分析建模过程建模过程 由上土层位移云图可知，土层最大竖向位移为由上土层位移云图可知，土层最大竖向位移为27.9mm，出现在坑，出现在坑底，向上隆起；水平向最大位移出现在底，向上隆起；水平向最大位移出现在4-4区与区与5-5区的交界处，最大值区的交界处，最大值为为23.4mm，向基坑侧；两向位移均满足基坑设计要求，向基坑侧；两向位移均满足基坑设计要求(30mm)。出现。出现位移原因：竖向开挖卸载应力释放引起坑底土层上抬，同时基坑开挖引17、位移原因：竖向开挖卸载应力释放引起坑底土层上抬，同时基坑开挖引起应力变化，围护结构向临空面移动，促使坑边土层向基坑侧移动。起应力变化，围护结构向临空面移动，促使坑边土层向基坑侧移动。3.3 结果与分析结果与分析建模过程建模过程3.3 结果与分析结果与分析建模过程建模过程 上图为邻近盾构隧道的位移云图。由图上图为邻近盾构隧道的位移云图。由图可知，水平位移均向基坑一侧移动，最大值可知，水平位移均向基坑一侧移动，最大值为为1.511mm，出现在近基坑一侧隧道中部；，出现在近基坑一侧隧道中部；竖向位移最大值为竖向位移最大值为1.677mm，向下，出现在，向下，出现在隧道端部。水平位移的产生跟土层原因一18、致，隧道端部。水平位移的产生跟土层原因一致，而竖向位移则因为基坑开挖隆起与地面附加而竖向位移则因为基坑开挖隆起与地面附加荷载引起的。荷载引起的。3.3 结果与分析结果与分析4 结语 1、由于岩土的复杂性、实际项目的特殊性及计算过程中的一系列简化，致、由于岩土的复杂性、实际项目的特殊性及计算过程中的一系列简化，致使岩土工程数值分析结果往往与实际存在较大的偏差，甚至相反；正因此，进使岩土工程数值分析结果往往与实际存在较大的偏差，甚至相反；正因此，进行有限元分析时不要太过纠结，太追求结果数值上的吻合，一般认为结果规律行有限元分析时不要太过纠结，太追求结果数值上的吻合，一般认为结果规律满足实际情况，且19、数值与理论或实测结果同一个数量级，模型本身是没有大的满足实际情况，且数值与理论或实测结果同一个数量级，模型本身是没有大的问题。问题。2、软件学习过程中，不论、软件学习过程中，不论GTS还是其他一些分析软件的学习，个人觉得要还是其他一些分析软件的学习，个人觉得要重视过程，遇到问题多思考，多总结；我看重视过程，遇到问题多思考，多总结；我看GTS用户大都是要进行实际工程分用户大都是要进行实际工程分析了才开始学，然后不停地问，最终项目做完了，软件还是没搞懂。学习其他析了才开始学，然后不停地问，最终项目做完了，软件还是没搞懂。学习其他通用软件发现，分析软件都是相通的，通用软件发现，分析软件都是相通的，G20、TS操作界面相对友好，但建议工程师操作界面相对友好，但建议工程师们仍需多花点时间摸索，务必把例题多做几遍。学通了这个软件，为学习其他们仍需多花点时间摸索，务必把例题多做几遍。学通了这个软件，为学习其他相关软件打好基础。相关软件打好基础。3、要软件分析结合理论。时常有人问到、要软件分析结合理论。时常有人问到“初始应力计算、地基反力系数、初始应力计算、地基反力系数、地层结构法、荷载结构法及侧压力系数等问题，都是对基本的概念不了解所致。地层结构法、荷载结构法及侧压力系数等问题，都是对基本的概念不了解所致。基本的概念没掌握，学习软件就更为困难了，因此建议大家有时间翻翻书，掌基本的概念没掌握，学习软件就更为困难了，因此建议大家有时间翻翻书，掌握一些基本的概念。握一些基本的概念。感谢聆听！感谢聆听！谢谢!