CN110781544A - 一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统，其步骤为：步骤1、对岩土分层特征及特殊性岩土进行分析；步骤2、对水文地质进行分析；步骤3、施工仿真分析模型及计算参数；步骤4、材料参数输入及数值模型建立；步骤5、盾构井及隧道开挖对桥梁的影响结果分析，涉及施工技术领域。该用于岩土及隧道结构的模型建立系统提高了，建模和分析的效率弥补了模型简化对计算精度的影响，因而非常适合于工程应用，解决了岩土及隧道结构分析不完整，导致施工过程中路面下沉的问题。
Description
技术领域
本发明涉及施工技术领域，具体为一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统。
背景技术
区间隧道多采用盾构法施工，期间平面避让内环路一桥梁桥，施工过程中可能会出现水土失衡现象，造成隧道周边水土流失，岩石裂隙发育不均匀，并且大部分被泥质充填，地下水赋存条件较差，但局部裂隙发育地段或构造破碎带，其水量较丰富，具承压性，本区段整体而言，透水性和富水性较差导致路面下沉。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统，解决了岩土及隧道结构分析不完整，导致施工过程中路面下沉的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统，其步骤为：
步骤1、对岩土分层特征及特殊性岩土进行分析；
步骤2、对水文地质进行分析；
步骤3、施工仿真分析模型及计算参数；
步骤4、材料参数输入及数值模型建立；
步骤5、盾构井及隧道开挖对桥梁的影响结果分析。
进一步地，步骤2中地下水按赋存方式划分为第四系松散层孔隙水、层状基岩裂隙水、网状基岩裂隙水三种类型，分别结合对本区大气降雨特点，对混凝土结构中的钢筋具有的腐蚀性记性强度分析。
进一步地，步骤3具体为计算模型假定、计算参数选取和开挖过程模拟。
进一步地，步骤4根据实际分析问题区域，布置相应的单元尺寸，网格尺寸单元在桥梁部分及盾构竖井、盾构隧道及暗挖隧道区域划分较细，其他区域渐变过渡至较粗尺寸，网格的有序化将有利于后续运算分析的速度，根据预布的单元尺寸划分有限元计算网格模型。
进一步地，材料参数等设置完毕后，对整个模型进行划分网格，并对相应位置土体及结构物赋予其材料参数及相应的属性，数值计算模拟主要分为盾构井逐步开挖至设计深度、盾构隧道破洞始发和暗挖隧道施工三个方面。
进一步地，所述数值计算模拟具体为：
A、初始地应力场模拟；
B、桥梁桩基及墩柱等修建、运营状况应力场模拟；
C、围护结构施工；
D、盾构竖井分九次逐层开挖，支撑逐层施作直至盾构井开挖至设计深度；
E、盾构隧道破洞始发；
F、暗挖隧道施工。
进一步地，步骤5中具体为盾构井开挖影响性分析、隧道开挖影响性分析，开挖施工对桥梁上部结构受力的影响分析。
进一步地，所述开挖施工对桥梁上部结构受力的影响分析具体为承载能力极限状态抗弯验算、承载能力极限状态抗弯验算和承载能力极限状态抗剪验算、。
(三)有益效果
本发明提供了一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统。具备以下有益效果：
该用于岩土及隧道结构的模型建立系统，通过建立模型对结构地层的实际结构进行了一定的简化，提高了建模和分析的效率弥补了模型简化对计算精度的影响，因而非常适合于工程应用，解决了岩土及隧道结构分析不完整，导致施工过程中路面下沉的问题。
具体实施方式
本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种技术方案：一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统，地下水的补给、排泄与腐蚀性评价，大气降雨是水的主要补给来源之一，排泄主要表现为大气蒸发、干旱季节向河流补给、人工开采和通过植物排泄，地下水位受季节的影响明显基岩裂隙水发育于强风化中等风化带中，主要接受构造裂隙水补给以及越层孔隙裂隙水补给，地下水对混凝土结构和钢筋具有微腐蚀性；局部地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性
本发明采用岩土及隧道结构专用有限元分析软件Midas GTS NX进行计算，是将通用的有限元分析内核与岩土结构的专业性要求有机地结合而开发的岩土与隧道结构有限元分析软件，广泛适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基、水工、矿山等各种实际工程的准确建模与分析，可以很方便地进行回填、开挖及施加支护结构等岩土及隧道工程施工阶段分析；
施工阶段分析是经过施工过程的岩土数值分析，岩土分析通常是材料非线性分析，材料的非线性属性可以从岩土内的初始条件中得到，由初始条件中得到初始应力后，进而可以得到开挖荷载引起的应力继续变化情况，因此，施工阶段分析，包含了从初始岩土条件开始的连续的施工过程，Midas GTS NX 软件的施工阶段分析采用的是累加模型，即每个施工阶段都继承了上一个施工阶段的分析结果，并累加了本施工阶段的分析结果；
计算模型假定；土体为各向同性、均值的理想弹塑性体，简化地表和各层土体，使其均呈匀质的水平层状分布；初始地应力在模型计算只考虑土体自重应力，不考虑地下水的影响；忽略岩土体构造应力，使岩土体在自重作用下，土体达到平衡，而后再进行盾构施工的开挖；模型中所选用的地层参数，参照工程地勘报告中所给出的土体参数；假定既有匝道桥在施工前桥桩及承台、墩柱等均处于良好状态；
计算模型参数分两部分，分别为其几何及材料参数；其中对前者，如基坑开挖尺寸、围护结构尺寸及形式、隧道埋深、衬砌厚度、直径等均严格按照工程实际情况选择；
对于材料参数有如下选择原则：粘聚力、内摩擦角、重度按地质提供的物理力学指标结合经验参数进行设置；弹性模量按过往工程经验，按岩土勘察报告中土的压缩模量进行设置；
开挖过程模拟
在有限元软件中对土方开挖的模拟以及隧道衬砌的支护是通过“杀死”或“激活”对应的土体以及衬砌单元实现的，即所谓“生死单元”；
要达到“单元死”的效果并非将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其单元刚度矩阵乘以一个很小的刚度折减因子，使其对系统的整体刚度矩阵的贡献达到最小，从而实现消除该单元对整体刚度矩阵的影响，为了减少求解的方程数和避免病态条件，还需要将“死”自由度在一定程度上约束住，此时死单元的载荷、质量、阻尼、比热及其他类似的效果都将被设定为零；
相对应的“单元活”也并非是在模型中添加单元，而是取消刚度折减因子的影响，在当前的载荷步中重新激活已经存在但在前面载荷步里被“杀死”的单元；
本发明根据实际分析问题区域，布置相应的单元尺寸，网格尺寸单元在桥梁部分及盾构竖井、盾构隧道及暗挖隧道区域划分较细，其他区域渐变过渡至较粗尺寸，网格的有序化将有利于后续运算分析的速度。根据预布的单元尺寸划分有限元计算网格模型；
岩土体的加载及卸载模量往往不相同，卸载下的材料模量值更大于加载模量，且随着深度增大，岩土体的模量相应也有增大，这是由于围压的增强，在一定程度上，模量也有所增加，对于基坑工程而言，最常用的摩尔-库伦本构模型并不适用于基坑工程，因而，本次计算土体材料本构模型采用修正摩尔-库伦本构；
数值模拟及结果
计算分为以下几个步骤：初始地应力场模拟；桥梁桩基及墩柱等修建、运营状况应力场模拟；围护结构施工；盾构竖井分九次逐层开挖，支撑逐层施作直至盾构井开挖至设计深度；盾构隧道破洞始发；暗挖隧道施工。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统，其步骤为：
步骤1、对岩土分层特征及特殊性岩土进行分析；
步骤2、对水文地质进行分析；
步骤3、施工仿真分析模型及计算参数；
步骤4、材料参数输入及数值模型建立；
步骤5、盾构井及隧道开挖对桥梁的影响结果分析。
2.根据权利要求1所述的一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统，其特征在于：步骤2中地下水按赋存方式划分为第四系松散层孔隙水、层状基岩裂隙水、网状基岩裂隙水三种类型，分别结合对本区大气降雨特点，对混凝土结构中的钢筋具有的腐蚀性记性强度分析。
3.根据权利要求1所述的一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统，其特征在于：步骤3具体为计算模型假定、计算参数选取和开挖过程模拟。
4.根据权利要求1所述的一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统，其特征在于：步骤4根据实际分析问题区域，布置相应的单元尺寸，网格单元尺寸在桥梁部分及盾构竖井、盾构隧道及暗挖隧道区域划分较细，其他区域渐变过渡至较粗尺寸，网格的有序化将有利于后续运算分析的速度，根据预布的单元尺寸尺寸划分有限元计算网格模型。
5.根据权利要求4所述的一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统，其特征在于：材料参数等设置完毕后，对整个模型进行划分网格，并对相应位置土体及结构物赋予其材料参数及相应的属性，数值计算模拟主要分为盾构井逐步开挖至设计深度、盾构隧道破洞始发和暗挖隧道施工三个方面。
6.根据权利要求5所述的一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统，其特征在于：所述数值计算模拟具体为：
A、初始地应力场模拟；
B、桥梁桩基及墩柱等修建、运营状况应力场模拟；
C、围护结构施工；
D、盾构竖井分九次逐层开挖，支撑逐层施作直至盾构井开挖至设计深度；
E、盾构隧道破洞始发；
F、暗挖隧道施工。
7.根据权利要求1所述的一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统，其特征在于：步骤5中具体为盾构井开挖影响性分析、隧道开挖影响性分析，开挖施工对桥梁上部结构受力的影响分析。
8.根据权利要求1所述的一种用于岩土及隧道结构的模型建立系统，其特征在于：所述开挖施工对桥梁上部结构受力的影响分析具体为正常使用极限状态抗裂验算、承载能力极限状态抗弯验算和承载能力极限状态抗剪验算。
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