[分享]岩土工程数值分析 (二)

发表于2015-12-02 696人浏览 0人跟帖总热度:559

筑龙币+20

岩土工程数值分析（二）

———从岩土工程师的角度理解数值分析方法在岩土工程中应用

既然数值分析工具是解决工程实际问题的利器，那么为何同时有那么多同行觉得这个东西中看不中用呢？笔者觉得除了数值分析工具本身的局限性以外（实际上任何一种工具都是有其局限性的）使用者要为此承担不小的责任。现在很多所谓的数值分析都是先由专业技术负责人拍板结果，然后再做分析“闭合”，当做命题作文来做。而且为了“与经验值较为吻合”，可谓无所不用其极，十八般武艺轮流登台。

为活络下气氛就先讲个故事吧。

某公司的某个基坑项目：开挖深度6m左右，采用一道支撑结合钻孔灌注桩围护结构的基坑，要求进行基坑开挖对周边环境的影响分析，土体本构拟采用MC模型分析（公司购置的正版软件可能没有其他模型可选）。很显然，由于MC模型为理想弹塑性模型且只有一个变形模量，很难胜任对基坑开挖的模拟。基坑的主动土压力区域以剪切为主（sigma3不断减小，偏应力不断增加），然而坑底，特别是基坑中间区域坑底的土体以卸载为主（偏应力不断减小的过程）。做过室内三轴加卸载试验的朋友都知道，土体的加载（剪切）模量和卸载模量差别是很大的。因此，从理论上分析，很难用MC模型准确的分析基坑的变形。

现在这个问题就变成：已知土体材料为MC（也可采用高级模型，但是仅有勘察报告可参考，参数自己搞定），工程经验为围护结构侧向变形3~4cm，土体竖向沉降最大2~3cm，坑底隆起量最大4~5cm，围护结构的变形特征为“鼓肚子”且围护结构的底部侧向变形不得大于0.5cm，要求采用主流岩土工程数值分析软件“推导”出上述结果。

工程师A是比较中规中矩的，根据命题的最低要求采用MC模型模拟，各项参数均依据勘察报告中的建议值选用。不过碰到了小纠结：

（1）强度参数只有直剪试验指标，就它了，否则我还能怎么办？；

（2）勘察报告中只有压缩模量Es0.1~0.2，这个和MC的变形模量有啥关系呢？用了再说吧，也只有这个选择了。好不容易模型建好了，开挖工况设置好了，还检查了一边参数是否有输错，工况是否无误，就迫不及待的的点击了“RUN”。若干时间后（视软件的计算效率和硬件水平）结果出来了，第一时间点击了“水平位移叠加位移矢量”，结果为水平位移9cm，灌注桩严重踢脚，整个模型呈“转动”的趋势。整个分析结果完全和经验值两码事情，无论从趋势或者数值上都是没有任何关系。但是领导催着交差呢，只好忐忑的跑去见技术负责人：有限元果真是RIRO（rubbish in , rubbish out），出来的东西简直亮瞎您的眼睛啊，我能力有限还是让别人搞吧。

工程师B是比较好学的，早就听说了MC模型不适合分析开挖卸载问题，查了点资料，发觉采用HSS（小应变硬化土）模型分析基坑还是不错的，而且手头的Z软件中正好有这个模型，天助我也！打开本构参数输入菜单就傻眼了，一坨一坨的参数需要输入。然后看看手头的勘察报告，只有直剪固快指标，只有压缩模量，还有这个gama0.7是什么玩意？郁闷哦。

忽然灵光一闪，在HSS模型出来前，貌似用HS分析基坑也是可以的。因此，把HSS的“S”disable掉，果然参数少了好多。不过，还是有E50模量、Eur模量搞不定，还好手册上有模量之间的倍数关系的建议值，Eur=3~5E50，E50=Es，保险起见取5倍吧。结果出来了，侧向变形8cm，地表沉降6cm，坑底隆起10cm，围护结构有“鼓肚子”的取值，但是端部侧向位移还是有点大哦。总体判断，趋势可行，但是数值和经验值差太多了，这个结果拿出去，即便领导放行，那到评审机构也会被砖家羞辱一番的。此时一定要沉着冷静，现在面对的问题是所有的变形都超标2倍左右，趋势基本可行。

有了，将所有模量放大两倍不就可以了嘛？模型和工况都不用改，只改改模量参数即可。结果出来了，长舒了一口气，结果基本和经验值差不多了，不过貌似地表沉降的影响范围稍微远了点，貌似5倍基坑开挖深度以外还有2mm的沉降，这个好像有点问题哦。这个好解决，调整下云图legend的色阶，原先最大最小值之间是20个色阶，一个色阶的位移差是2mm，现在调整成10个色阶，这样0和2mm同属于一个色阶了，根本看不出来。领导看了结果后，还是比较满意的，夸工程师B有悟性。不过有悟性的人也干了快两天了，此时同事已经把一个新的基坑方案做好了。

工程师C脑子非常活络，是不可多得的人才。他分析过程的前半段和工程师A基本一样，当然分析结果也基本一样。但这样傻乎乎的交出去显然有失水准啊。分析下面临的问题及对策：

（1）侧向变形大，可以通过成倍增加模量解决，为了实现调试的次数最少，可以采用“二分法最优化原理”。

（2）整个模型呈转动趋势，显然是由于坑底隆起量太大引起的，一定要采取必要措施控制坑底隆起来那个。最有效果的就是“压载”，不过如何自圆其说？不是有很多工程桩嘛，就说工程桩对土体的竖向约束等效为“广义压载”，先考虑20kPa看看结果，不够再加嘛。半天时间结果就交到领导手里了，领导说还是你效率高。

评审的时候到了，砖家花了99%的时间讨论了方案从图面质量的标注问题到施工时候的注意事项，花了1%的时间讨论下数值分析的评估结果：计算结果和经验差不多，方案基本可行。

本文来源：中国岩土网