02_3D 三维基坑施工阶段

midas gts NX 例题

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分析模型概要图

三维基坑施工阶段分析

1 学习目的及概要

1.1 学习目的

通过三维基坑开挖施工阶段分析，研究岩土和结构的相互作用。基于有限元法的基坑稳定性分析，是不需要输入土压力而是根据岩土的弹塑性行为和板桩及结构构件的相互作用计算位移及应力的方法。通过这个方法不仅可以分析板桩的应力及位移而且可以同时考虑周边岩土和相邻建筑的影响。 三维基坑开挖分析与二维分析不同，尤其是结构的方向和边界条件对分析结果的影响，而且三维分析可以详细的研究在二维模型上不可能反映出来角部、截面变化区域的应力分布。并且通过独立建立板桩和土体连接的模型，可以模拟更接近实际的岩土-结构的相互作用。

通过本例题主要学习如下功能及分析方法。 采用修正莫尔库伦模型（模拟岩土硬化行为） 建模:板桩、桁架、锚索

适用界面单元（模拟板桩和岩土的界面行为） 定义锚杆预应力（Pretention）

分析岩土的应力、内力、变形结果

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1.2 模型概要

本例题中，在10*20m的开挖区域设置板桩、圈梁、支撑、中间桩、锚杆等基坑结构。最大开挖深度10m，分成5个阶段（3，5，7，9，10m）进行开挖，整体支护按2m间距共4个水平（2，4，6，8m）配置圈梁及加固结构。逐阶段加固，根据岩土特性1水平、2水平配置支撑，3、4水平配置锚杆。板桩深度设置为12m，相对于开挖底部的嵌入深度设置为2m。整体地层为3层，各地层下端深度到地表面的深度分别为填埋层3m，崩积层10m，风化土22m。

平面图

为了使边界约束的影响最小化，整体岩土区域背面宽度设置为开挖宽度的1.5~3倍。

地层和各阶段开挖区域如下图。

切面图

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2 设置分析条件

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*

：分析 > 分析工况 > 设置 （Analysis > Analysis Case > Setting）

设置模型类型、重力方向及初始变量。确认分析中使用的单位制。在建模过程及确认分析结果时可以修改单位制，根据设置的单位制将自动转换输入的参数。

本例题是把Z轴作为重力方向的三维模型，单位制使用SI单位（kN，m）。

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3 定义材料及属性

3.1 定义岩土及结构材料

定义岩土材料时，适用修正莫尔库伦模型。修正莫尔库伦模型是适用于粉土或沙土等材料的模型，可以模拟基于幂函数的非线性弹性和弹塑性模型的组合行为。特别的，模型中需分别定义加载弹性模量和卸载弹性模量，这可以优化因开挖（移除荷载）导致的地面隆起现象。本例题中的结构材料，采用不考虑材料非线性的弹性模型。

考另外，定义为模拟岩土和板桩分离行为的界面单元。

各地层/结构构件上使用的材料如下表。下列材料属性参数中不直接输入的参数可通过程序自动计算。

表. 岩土材料

名称 材料 模型类型 泊松比（v） 容重（r）

K0 容重（饱和） 初始孔隙比（eo）

排水参数 标准排水三轴试验中的割

线刚度（E50ref） 主固结仪加载试验中的切线刚度（Eoedref） 卸载/加载刚度（Eurref）

参考压力

刚度应力水平相关幂指数

初始孔隙比 KNC（>0）

剪切破坏时的摩擦角

极限剪胀角 粘聚力 帽盖参数

材料

埋层 崩积层 各向同性 各向同性 修正莫尔库伦 修正莫尔库伦

一般 0.2 0.2 16 17 0.5 0.44 多孔材料参数 20 20 0.5 0.5 排水 排水

非线性

22000 22000 66000 100 0.5 0.6 0.9 30 0 1 -

界面/桩界面（埋

层） 43000 43000 129000 100 0.5 0.6 0.9 34 4 1 -

界面/桩（崩积

层） 风化土 各向同性 修正莫尔库伦

0.2 20 0.74 22 0.5 排水 60000 60000 180000 100 0.5 0.6 0.9 38 5 1 -

界面/桩（风化

土）

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剪切刚度模量（Kt）

界面非线性 粘聚力（C） 摩擦角

剪胀角 59583 库伦摩擦 0.65 30 0 116458 库伦摩擦 0.65 34

0 162500 库伦摩擦 0.65 38 0

在创建界面单元时，可以通过界面属性助手输入两参数（tv、R），程序会根据相邻岩土单元的属性自动计算法向刚度模量和剪切刚度模量。

利用属性助手的情况下，通过如下关系式计算界面材料属性。根据相邻单元的刚度及非线性参数，并考虑输入的虚拟厚度（tv）和刚度折减系数（R），来确定界面单元的参数。针对周边岩土以及结构的刚度差异，应采用不同的界面材料刚度参数。

Kn = Eoed,i / tv Kt = Gi/tv Ci = R×Csoil

这里，Eoed,i = 2×Gi×（1-νi）/（1-2×νi）

（νi =界面泊松比=0.45，界面是为了模拟不可压缩的摩擦行为，为防止计算错误，这里采用0.45计算。）

tv= 虚拟厚度（一般取0.01~0.1范围内的值，相邻单元间的刚度差异越大越输入的值越小）

Gi = R×Gsoil（Gsoil = E/（2（1+ νsoil）），R = 刚度折减系数 基于结构构件和相邻岩土属性的刚度折减系数如下。 沙土/钢材 = R：0.6~0.7 粘土/钢材 = R：0.5 沙质土/混凝土 = R：1.0~0.8 粘土/混凝土 = R：1.0~0.7

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表. 结构材料

名称 材料 模型类型 弹性模量（E）

结构材料1 各向同性 弹性 2.1E+08 结构材料2 各向同性 弹性 2.0E+08 3.2 定义特性

岩土特性的情况下，设置使用什么样的岩土材料。结构特性的情况下，添加设置结构构件种类及切面形状（切面刚性）。

基坑结构中，板桩作为连续板桩，使用具有厚度的板单元。抗轴/剪切/弯曲的圈梁、中间桩及支撑使用梁单元，只抗轴方向的锚使用植入式单元。 支撑的情况下，一般假设抗轴力的桁架单元，但在像本例题有中间桩接头的情况下，假设抗剪切和抗弯曲是比较合理的。 植入式桁架单元作为只能适用于填埋式结构构件的单元，显示与桁架单元同一的响应，不连接相邻岩土和节点也能在分析上适用，所以在三维上可以方便适用。

各岩土特性如下表。不直接输入界面特性而是通过向导，适用生成界面时自动计算的特性。

表. 岩土特性

名称 界面种类 材料

界面 （埋层） 面 埋层

界面 （崩积面 崩积层

界面 （风化面 风化土

埋层 - 埋层

崩积层 - 崩积层

风化土 - 风化土

各结构构件的特性如下表。若设置切面形状则自动计算切面刚性。

表. 结构特性

名称 材料 板桩 结构材料1

圈梁、中间桩、支

结构材料1 锚杆

结构材料2

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创建开挖区实体

4 建模

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