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GeoStudio公路鐵路行業 解決方案

原文作者:
  CnTech
發布時間:
  2015-01-15
來    源:
  CnTech
相關產品:
  GeoStudio
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    公路鐵路工程中,從道路到隧道、橋梁都需要考慮巖土問題。例如:在路基填筑過程中需要考慮不均勻沉降及穩定性;在隧道開挖過程中,需要考慮變形情況以及結構受力情況;在橋梁的修筑過程中,需要考慮樁基礎的穩定和破壞問題。這些巖土工程問題是運用工程地質學、土力學、巖石力學解決各類工程中關于巖石、土的工程技術問題的科學,其本質是巖體或土體穩定、滲流和變形的問題。

    有限單元法作為工程數值分析中最強有力的工具,已在巖土工程分析中得到廣泛的應用,巖土工程數值分析對于工程師決策具有非常重要的意義。其分析領域涵蓋巖土工程問題的各個研究方向,如土的本構關系、土的滲透性與滲流計算、地基應力與建筑物沉降、土的固結、巖土坡穩定、地基承載力分析、土的動力分析;施工過程模擬,如地下洞室開挖支護、基坑開挖支護、路基、壩基填筑變形及穩定性分析、以及污染物運移問題等。

    隨著計算機技術的飛速發展,有限單元法在巖土工程領域取得了很大進展,為巖土工程設計、分析、方案優化提供了一個得心應手的工具。GEO-SLOPE 公司是加拿大D.G.Fredlund于1977 年創立至今,已成為全球最著名的巖土軟件開發公司之一,已經在全球巖土工程行業得到了廣泛的應用,用戶覆蓋全球 100 多個國家。GeoStudio發展至今,已成為學者、工程師解決巖土工程問題的專業、高效的分析計算工具,為眾多的用戶所支持和信賴。在國內亦擁有眾多的用戶群體。GEO-SLOPE 公司不斷提升軟件的易用性、易操作性,同時根據全球用戶的反饋不斷增強軟件的分析功能。為推動中國的巖土工程師對于軟件應用水平的提高,GEO-SLOPE 公司在中國每年都開展用戶研討會,交流應用經驗,總部會派遣研發工程師與中國用戶交流。同時GEO-SLOPE公司在中國的唯一合作伙伴――中仿科技,為用戶提供深層次的技術支持和服務。

    為了增加中國巖土工程師對GeoStudio軟件的全面了解,以及在巖土工程領域的廣泛應用,我們編寫了這份資料,力求以豐富的應用實例為主,全面地介紹GeoStudio軟件的的功能和應用。

圖 1 GeoStudio的操作界面

圖 2 GEO-SLOPE 和中仿科技合作舉辦用戶研討會

    我們期待這本資料能推廣GeoStudio軟件在中國巖土工程行業得到廣泛應用,共同為中國巖土工程行業的發展作出貢獻。

    (GEO-SLOPE 公司中國唯一合作伙伴 中仿科技CnTech  http://www.CnTech.com.cn)

GeoStudio軟件在公路鐵路行業的應用——實例剖析

    GeoStudio系統軟件是由全球著名的加拿大巖土軟件開發商GEO-SLOPE 公司在七十年代開發的面向巖土、采礦、交通、水利、地質、環境工程等領域開發的一套仿真分析軟件,是全球最知名的巖土工程分析軟件之一。作為優秀的巖土工程設計分析軟件,GeoStudio目前已經為上百萬科學研究人員、工程技術人員、教育工作者以及學生提供了無與倫比的幫助。

    GeoStudio軟件以其全面的功能、友好的用戶界面、高效的建模分析、強大的技術支持贏得了設計院工程師、高校研究院所專家教授以及學生的廣泛認可,越來越多的用戶選擇GeoStudio軟件作為分析設計工具和教學工具。

    GeoStudio2007包括以下八款專業軟件:

    SLOPE/W 邊坡穩定性分析軟件

    SEEP/W 地下水滲流分析軟件

    SIGMA/W 巖土應力變形分析軟件

    QUAKE/W 地震動力響應分析軟件

    TEMP/W 地熱分析軟件(溫度場分析軟件)

    CTRAN/W 地下水污染物運移分析軟件

    AIR/W 空氣流動分析軟件

    VADOSE/W 綜合滲流蒸發區和土壤表層分析軟件

1路基路面工程篇

    路基工程是指按照路線位置和一定技術要求修筑的作為路面基礎的帶狀構造物,路基是用土或石料修筑而成的線形結構物。它承受本身的巖土自重和路面重力,以及由路面傳遞而來的行車荷載,是整個公路構造的重要組成部分。因此在路基設計中必須考慮具有足夠的強度和穩定性,即在其本身靜力作用下地基不應發生過大沉陷;在車輛動力作用下不應發生過大的彈性和塑性變形;路基邊坡應能長期穩定而不坍滑。

1.1 問題提出:常見路基穩定性如何分析,采用何種分析方法?

    解決方案:GeoStdudio系列軟件可以通過三種方法計算路基邊坡穩定性:

    方法一、極限平衡方法程序SLOPE/W,SLOPE/W包含全面的極限平衡分析方法,如Morgenstern-Price、GLE、Spencer、Bishop、Ordinary、Janbu、Sarma法等用戶可以靈活選擇分析理論;包含全面的材料強度本構,從最通用的摩爾庫倫強度準則到非線性強度準則,以及霍克布朗強度準則等十多個強度模型可供選用。

    方法二、用戶也可以使用SIGMA/W+SLOPE/W實現邊坡穩定分析, SIGMA/W有限元計算的應力分析和SLOPE/W極限平衡法方法耦合計算邊坡穩定性。這種方法優點在于:不需對條間力進行假定;由有限元計算出應力場,邊坡穩定性分析不存在迭代和收斂問題;滿足位移兼容性,應力分布更接近于真實情況;分析中可以直接考慮應力集中;土和結構的相互作用被更真實的處理。

    方法三、強度折減法,用戶也可以使用SIGMA/W中的應力重分布分析類型實現基于有限元強度折減法的邊坡穩定性的計算。

圖3

實例1.1.1:某含軟弱夾層路基邊坡穩定性分析

    該邊坡地基中存在軟弱夾層及基巖層,用戶采用了Morgenstern-Price法,并采用進口出口滑裂面搜索方法。邊坡穩定分析結果如下圖所示:

圖4

1.2 問題提出:路基分層填筑施工過程如何模擬

    解決方案:在SIGMA/W中可以輕松實現施工過程的模擬,比如基坑開挖支護、路基填筑、壩體填筑等。友好的建模界面、清晰的建模流程,建立復雜的模型輕松快捷,大大縮短用戶的建模時間,使得用戶專注于研究對象實質問題。比如國內有部分用戶采用本軟件研究尾礦庫的填筑變形研究、港區軟基處理以及分層筑壩等項目的模擬分析,取得了良好的模擬效果。

 實例3.1.1:某路堤分層堆筑應力變形模擬

圖5

1.3 問題提出:如何考慮加固措施的邊坡分析

    解決方案:SLOPE/W軟件可以模擬包括錨桿、土釘、土工布和樁四種加固組件。包含恒定荷載和可變荷載兩種作用方式,采用恒定荷載可以幫助用戶確定達到某一安全系數所需的加固力大小,同時可以校核結構是否否和要求,比如太長或者太短,從而輔助結構優化設計。

實例1.3.1:某邊坡加固安全系數計算

    通過對不同支護方案的計算分析,選擇最優方案,并對支護結構參數進行優化,從而達到安全、經濟的目的。

圖6

1.4 問題提出:如何進行軟土路基的變形和穩定性計算?

    解決方案:軟土路基是指在強度低,壓縮量較高的軟弱土層。軟土路基的危害主要有兩方面:(1)強度及穩定性,由于軟土中超孔隙水壓力不容易消散,造成穩定性降低;(2)變形,由于排水性能差,因此造成路基表面不均勻沉降較大。因此在軟土路基中,常常需要對地基進行處理,常見的處理方法有:高壓噴射注漿、堆載預壓法、復合地基處理法、壓密注漿碎石樁處理。

    在GeoStudio中SIGMA軟件提供了耦合應力/孔隙水壓力分析類型,能夠獨立進行固結分析。在此類分析的基礎上,程序也提供了各種適用于軟土固結分析的本構模型,例如:修正摩爾庫倫模型及非線性鄧肯張模型。

    對于固結階段中各個時間點的安全系數問題,由于各個階段的應力和孔隙水壓力分布情況存在這個較大差別,因此不能簡單的判斷哪個時間點安全系數較低。用戶可以使用GeoStdudio中各個軟件之間的相互調用功能,將SIGMA/W計算的應力和孔隙水壓力分布調入SLOPE中,對各個時間點分別進行邊坡穩定分析,得到整個工期及固結期的安全系數。

實例1.4.1 某軟土路基分層填筑過程模擬

    某軟土路基構造如下圖,分4期填筑,每填筑期為30天(一個月),并考慮施工完成后兩年內的路基固結期。該施工過程,設計單位采用GeoStudio的SIGMA/W軟件計算整個過程中的沉降,并使用SLOPE/W軟件在考慮SIGMA/W計算的應力分布結果基礎上,計算施工期和固結期各個階段的安全系數。

    由于需要考慮施工過程中軟土的固結問題,因此選擇了國際上常用的修正劍橋模型(即SIGMA/W中的軟粘土模型)。

    為了反映各個時間段,由于堆載及固結時的超孔隙水壓力消散對于邊坡穩定的影響。因此設計人員采用了有限元+極限平衡法的方法,將SIGMA/W計算的各個時間點的應力及孔隙水壓力分布狀態調入到SLOPW/W中進行邊坡穩定計算,從而得到各個時間點的安全系數。

圖8 路基某點在施工期和固結期沉降及超孔隙水壓力變化情況

實例1.4.2 某軟土路基地基處理模擬——排水板

在軟土工程中,為了加快軟土的固結,排水板是一種常見的地基處理方式。以上一個模型為例,在路基中設置排水板。通過計算可以發現,由于排水板的存在,加快了軟土中超孔隙水壓力的消散,一方面使邊坡在固結期中各個時間點的安全系數相同,為1.355,增大了最小安全系數;另一方面降低了路基表面的不均勻沉降量。

圖10 路基表面不均勻沉降對比(左側為不含排水板,右側為含排水板)

1.5 問題提出:如何考慮非飽和土體對路基的影響?

解決方案:路基填土一般在水位以上,屬于非飽和土范疇,用傳統的飽和土固結理論計算路基的沉降變形存在很多問題。

實例1.5.1:某路塹在強降雨條件下的滲流分析

當氣候條件在短期內突然劇烈變化的時候我們需要地表及時響應這一變化,例如在高溫天氣干燥的地表突然遭遇暴雨,在短時間內地表由干燥變得飽和,要想在數值模擬中處理這種快速劇烈的變化,地表網格必須非常好的離散化才可以,SEEP/W允許用戶在已經存在的幾何邊界上創建“面層”,能夠完美的解決這一問題。單位流量邊界可以應用于面層,在SEEP/W中可以記錄滲流、浸潤面和徑流量,以及低地勢處積水的深度。

圖11

實例1.5.2:膨脹性路基毛細孔上升分析

膨脹土是一種典型的非飽和土體。土體濕度增大時,體積膨脹并形成膨脹壓力;土體干燥失水時,體積產生收縮并形成收縮裂縫。吸力的下降或喪失會引起非飽和土抗剪強度的降低,引發路堤、路床的破壞。作者采用SLOPE/W進行耦合分析,得出土柱的含水量與高度之間的關系曲線;并結合土水特征曲線得出最大毛細水上升高度值。

圖12 純砂柱的含水量與高度關系

實例1.5.3:考慮降雨入滲影響的非飽和膨脹土邊坡穩定性分析(《考慮裂隙及雨水入滲影響的膨脹土邊坡穩定性分析》巖土工程學報2001年9月第23卷第五期)

    某高速公路非飽和膨脹土邊坡工程中,使用GeoStudio中SEEP/W軟件計算考慮非飽和土特性計算降雨作用,在此基礎上使用SLOPE/W采用極限平衡法對邊坡穩定分析。在模擬過程中考慮基質吸力對于抗剪強度的增強作用。

圖13 安全系數與降雨持時的關系及各種工況下計算滑動面

1.6 問題提出:路基的動力穩定性如何模擬?

    解決方案:在SLOPE/W程序中,動力效應有如下幾種考慮方式:

    最簡單的是擬靜力分析法,加速度可產生慣性力,進而引起地震動效應,擬靜力分析可反映這一點,在SLOPE/W程序中,水平慣性力作為一個水平力作用于每個條塊,豎向慣性力計入條塊重量。

    更嚴格的方法是在SLOPE/W程序中調用QUAKE/W程序的有限元動應力和孔隙水壓力成果。當模擬地震動力分析時,QUAKE/W允許用戶輕松定義或者調用地震加速度時程曲線,并提供地震波的修正,比如峰值修正、持續時間以及基線校正。所見即所得的用戶界面,可以方便時間輸入地震波的查看。QUAKE/W軟件也提供的本構模塊包括:線彈性、等效線性和非線性模型供用戶選擇使用。通常情況下,等效線性模型應用多年,是較為成熟的動力分析本構模型。在參數輸入方面,SLOPE/W可以定義土體發生液化后材料的強度。

    SLOPE/W程序中調用QUAKE/W程序的有限元動應力和孔隙水壓力成果的計算方法,可以真實的模擬土體發生液化后的邊坡穩定性。

2其他工程篇

    在公路鐵路工程中,涉及到巖土方面除了路基路面工程外,還有其他工程類型:

2.1 問題提出:挖方高邊坡及其加固的模擬?

    解決方案:在鐵路公路工程中除了路基等填方邊坡,也存在一些挖方邊坡,挖方邊坡穩定性模擬的計算方式同路基邊坡。

實例2.1.1:某高速公路高壓鐵塔邊坡穩定性模擬(出自《福建省漳(州)-詔(安)高速公路A2合同段高壓鐵塔邊坡加固工程設計與施工》,中國港灣建設2001年12月第6期)

    漳詔高速公路鐵塔邊坡加固工程中,采用SLOPE/W軟件和Morgenstern P rice方法,對鐵塔邊坡在路基開挖施工前后分別進行邊坡穩定性分析計算。

2.2 問題提出:計算結果如何被SLOPE/W調用以模擬復雜孔隙水壓力的邊坡穩定性?

    解決方案:GeoStudio系列軟件的一個突出特點就是多模塊(軟件)集成分析,根據分析目的,聯合多個分析模塊來模擬復雜問題,這一點操作起來非常的容易,比如我們這里要舉的這個算例,其水壓力分布形式非常的復雜,難以用SLOPE/W自帶的水壓力定義方式完成,就可以用SEEP/W求解出水壓力分布,然后由SLOPE/W調用。只需將SEEP/W分析作為SLOPE/W分析的上級目錄(parent)。

實例2.2.1:流量邊界的穩態滲流分析

    存在上層滯水的滲流分析,我們知道類似該案例的孔隙水壓力分布在SLOPE/W模塊是無法定義的,因為SLOPE/W不允許出現Z形的水位線,但可以通過SEEP/W分析獲得孔隙水壓力分布。在此基礎上進行邊坡穩定性分析,計算結果更加準確。

2.3 問題提出:含有軟弱夾層的巖質邊坡如何模擬?

    解決方案:1、滑面搜索方法采用用戶自定義;2、利用基巖強度本構可以間接控制滑面形狀,使滑面位于軟弱層中;3、巖質邊坡還可以利用霍克布朗強度本構模型,配合block surface滑面搜索方法。

實例2.3.1:某巖質高邊坡穩定性分析

    模型為存在軟弱夾層的巖質邊坡,軟件夾層厚度非常薄,驗算受軟件夾層控制的邊坡安全系數,采用了用戶自定義滑面的方法,獲得了Bishop法安全系數。

圖16

實例2.3.2 某巖質邊坡穩定分析

    模型為均質巖質邊坡,分析采用能反映巖石特性的霍克布朗強度本構模型,采用了折線搜索滑面的方法(block surface)。

圖16

實例2.3.2 某巖質邊坡穩定分析

    模型為均質巖質邊坡,分析采用能反映巖石特性的霍克布朗強度本構模型,采用了折線搜索滑面的方法(block surface)。

圖18

2.4 問題提出:邊坡的失效概率分析和參數敏感性分析?

    解決方案:隨著人們對邊坡工程穩定性分析認識的不斷提高,概率和敏感性分析越來越為工程技術人員熟悉和接受,對邊坡穩定進行概率和敏感性分析成為新的分析需求。土體的參數并不是一個值,而是符合某種規律的概率分布,這與工程實際是吻合的,分析邊坡的失效概率,找出影響邊坡穩定性的關鍵參數,對于評價邊坡穩定性意義重大,所以做概率和敏感性分析是非常有意義的工作。這一工作用SLOPE/W軟件來實現是件輕而易舉的事情。

    SLOPE/W包含一個廣泛通用的運算法則用以進行概率分析。幾乎所有的輸入變量都能被指定一種概率分布,然后利用Monte Carlo方法計算出安全系數的概率分布。對計算結果分析,可以得到邊坡在參數符合某一概率分布條件下的失效概率,也可以得到影響邊坡穩定性的主要參數,從而為工程選址、設計計算提供參考依據。

實例2.4.1 某邊坡失效概率分析

    由于巖土工程問題的復雜性,土體屬性的不確定性和空間變異性,做邊坡安全系數可靠性評估成為必要。

圖19

實例2.4.2 某邊坡參數敏感性分析

    邊坡的穩定性對砂土的摩擦強度還是粘土的不排水強度哪個更敏感,做參數敏感性分析,結果顯而易見。

2.5 問題提出:能否分析土體與支護結構的相互作用?

解決方案:SIGMA/W軟件提供梁單元和桿單元兩種結構單元,可以用來模擬樁、土釘、錨桿、襯砌等支護結構。定義非常的方便,首先定義梁或者桿的材料屬性參數,然后將材料賦給線即可模擬各類結構組件。此外SIGMA/W新增了接觸面單元,可以在土體與結構單元之間設置接觸面,以模擬結構與土體會發生相對的滑移。

實例3.4.1:某基坑開挖支護模擬

采用梁單元模擬擋土樁,采用梁單元和桿單元結合模擬預應力錨桿,在樁與土體之間定義了接觸面單元。下圖為開挖支護后剪應力云圖。

圖21

4結束語

    加拿大GEO-SLOPE 公司從 1977 年發展至今,已成為全球最大的巖土軟件開發公司之一,用戶覆蓋全球 100 多個國家。

    中仿科技公司是GEO-SLOPE公司中國區獨家總代理商,希望 GEO-SLOPE公司的系列軟件能給您的工作帶來方便和幫助。

    如果您希望了解關于GeoStudio軟件的詳細情況或者希望安裝GeoStudio的免費試用版本來親自體驗它的強大功能,請及時與我們聯系。

    中仿科技是專業從事工程分析軟件和咨詢服務的提供商,業務主要包括工程咨詢服務和企業信息化軟件的集成。主要服務領域包括土木工程、機械工業、航空航天、 汽車、電子產品等行業。我們始終遵循“客戶滿意為止”的服務準則,通過與高校、企業的合作為用戶排憂解難、出謀劃策、提供專業的技術應用服務。

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