第五章 岩土与地下工程01

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1、第五章岩土与地下工程第五章岩土与地下工程岩土与地下工程是一门以土力学、岩体力学及工程地质为理论基础，对岩土体进行综合改造和利用的应用学科，是一门实践性很强、要求理论与实践紧密联系的技术学科。在实际工程中，岩土问题往往是影响工程投资和制约工期的主要因素。随着经济的不断发展，建筑、水利、矿业建设工程的规模和技术难度越来越大，岩土工程所占的地位也越来越显著。因此迫切需要性能可靠、具有强大非线性求解功能的综合性有限元分析软件来解决岩土工程问题，使重大岩土工程在实际施工之前迅速而又精确的观察到所拟采用的工程措施将会产生的结果，并进而对不同施工方案做出更直接的对比分析，为正确的工程决策提供

2、有力的支持，避免不必要的经济损失，而ADINA是目前求解非线性岩土问题最精确、有效且提供最多岩土材料模型的有限元软件。ADINA在计算岩土变形和稳定性方面具有很强优势，主要体现在岩土材料模式丰富；提供多种地质断层、节理裂隙处理方法；具有锚杆、抗滑桩等杆单元算法；多孔介质特性耦合各种非线性岩土模型进行渗流、固结沉降、以及渗流/结构/温度场耦合分析；ADINA的材料模型可模拟岩土材料的非线性、岩土材料随时间变化的性能、考虑岩土中由于静水压力和结构变形引起的孔隙水压力的变化。ADINA提供多种岩土材料模型，包括Drucker-Prager材料模型、Cam-clay材料模型、Mohr-

3、coulomb材料模型、曲线描述的地质材料模型、Duncan-Zhang模型以及参数随时间变化的模型。Drucker-Prager材料模型是理想弹塑性材料模型，具有理想塑性Drucker－Prager屈服性能和Cap硬化性能；Cam-clay材料模型主要用来模拟黏土材料在正常固结和超固结情况下的应变硬化和软化、模拟静水压力和弹性体积应变的非线性关系、模拟理想塑性材料的极限状态；Mohr-coulomb材料模型是理想弹塑性材料模型。另外ADINA提供一种曲线描述的地质材料，这种材料模型允许用户自己定义模拟地质材料（包括岩土材料），材料曲线用分段线性的方式给出了加载和卸载两种不同状

4、态下的体积模量、剪切模量与体积应变的关系，可以模拟材料的弹塑性流动、裂纹等现象。除此之外，ADINA还提供专业的岩土徐变材料模式Lubby2模式；用于土体多孔介质属性模拟的多孔介质材料（Porous）。由于地质条件的复杂性，有限元分析时岩土中节理、裂隙、断层等结构的处理在分析中极为重要。ADINA中提供如非线性间隙单元（NonlinearGapElement）和由用户输入单元刚度（质量、阻尼）特性的通用单元(General2D/3DSolidElement)以及不同的接触摩擦算法（各种变摩擦模型）对地质中的节理、裂隙、断层进行模拟。64第五章岩土与地下工程对于边坡稳定性分析中的

5、抗滑桩、锚杆、土钉、钢筋混凝土结构中的加强钢筋等结构模型，ADINA专门提供了Rebar单元。Rebar单元的优点之一是不需要用户划分单元，而是由AUI前处理自动生成单元，同时使用者可以方便指定不同的RebarLine的截面特性，并定义其预应力特性以及与应力损失，这对于模拟复杂的锚固系统、钢筋混凝土预应力系统是非常重要的。在地下空间的施工过程中，岩土材料开挖过程和支护、锚固结构的施加需要使用到单元的生死功能（ElementBirth/Death）。为了与工程实际相符，ADINA的单元死亡功能（Death）对单元（材料）刚度的处理与其它软件不同，其刚度的变化不是瞬间完成，而是在用

6、户指定的一个时间段从真实刚度降低到零，这是ADINA能够非常成功地模拟极为复杂施工工序真正原因。同时ADINA提供各种方法，让用户方便处理如初始地应力等具体问题。岩土地质中常常采用到各种基于应力波传播的地质探测的技术。ADINA提供两种时间积分格式求解瞬态的应力波传播问题，即经典的隐式时间积分（Newmark方法和Wilson方法）和显式时间积分（CentralDifference）方法。在应力波传播问题中，一般要选择ADINA提供的显式时间积分方法，由于其积分步长小，对此类问题分析具有更高的精度和效率。ADINA在岩土工程中主要有如下应用：深大基坑开挖问题各种隧道（洞）开挖施

7、工问题-新奥法开发过程模拟各种地下空间结构动力抗震分析各种土体固结问题边坡及锚固问题岩土中的地应力波传播问题冻土施工渗流/结构/温度场耦合分析问题65第五章岩土与地下工程一．深大基坑开挖问题处于建筑群的基坑开挖涉及到周围已存建筑的安全问题，因此其施工过程控制和支护设计尤其重要。基坑降排水在地下水较为丰富的地区，基坑尤其是超深基坑处理将出现很大的难题。由于含水层被切断，在压差作用下地下水必然会不断地渗流入基坑。如不进行基坑降排水工作，将会造成基坑浸水，使现场施工条件变差，地基承载力下降。在动水