Midas GTS軟件在建模中的應用

張卉

湖北工業大學（430068）

Midas GTS軟件在建模中的應用

張卉

湖北工業大學（430068）

這里主要介紹了Midas GTS軟件在適用領域及工程中的應用，結合深圳地鐵9號線的一段盾構機下穿建筑物樁基的工程實例建立實例模型，講述Midas GTS軟件在操作過程中需要注意的關鍵問題。通過對于Midas GTS軟件的在操作中的問題，工程實例中運用Midas GTS軟件進行探討。

Midas GTS；工程應用；建模

巖土工程的多樣性和復雜性一直是巖土工程研究的重點課題，可以說是巖土工程研究進程中的“攔路虎”，運用有限元分析軟件可以直觀的建立工程實況模型。

1 Midas GTS軟件簡介

Midas GTS是由韓國MIDAS IT公司自主開發研制的一套關于三維巖土有限元模型分析軟件。它把巖土隧道結構的專業性要求與通用的有限元分析內核有機地結合在一起，集合了目前常用的巖土隧道分析軟件的優點。該軟件包括非穩定滲流分析、施工階段分析、非線性彈塑性分析、滲流-應力耦合分析、固結分析、動力分析等。在巖土分析及隧道設計計算方面，Midas GTS軟件是解決方案的最佳選擇之一，其具有分析巖土隧道設計計算基本分析功能，為使用者提供了許多最新最全面的分析理論在內的分析功能[1]。

1.1 Midas GTS操作界面優勢

Midas GTS軟件，以全中文的操作界面，具有處理前直觀親和性、分析功能多樣性、材料本構模型的豐富性，后處理簡潔全面，在國內外眾多大型巖土工程以及隧道工程中得到廣泛的應用[2]。

1.2 Midas GTS分析求解的流程分步

Midas GTS的一般分析求解流程總體上大致可以分為三大基本組成部分。即建立分析模型部分、定義施工階段求解部分和輸出計算結果部分。

Midas GTS是一個很大的應用軟件，全面掌握并熟練應用非常困難。學習該軟件最重要的是學會如何在所研究的學科中應用好Midas GTS,如何在Midas GTS中準確獲取自己所需要的信息。

2 Midas GTS建模求解中可能會遇到的常見關鍵問題

2.1 建立實體模型

直觀反映工程實際情況的實體模型是建立正確的有限元模型的前提。所建立的實體模型的通常由兩部分組成，幾何模型和材料的本構模型。這兩者的正確選擇十分重要，是一個模型建立成功與否的關鍵所在。在最初建立有限元模型的時候，首先建立基坑的幾何模型，因為所建立的幾何模型是為實際的工程情況服務的，因此必須準確的反映工程實際情況，同時應充分考慮將會影響基坑的多種因素，盡可能地確定真實情況下的邊界條件和外部超載，以確保建立正確的模型。建模方法主要可以分為直接法和間接法兩種。直接法是根據工程的外形直接建立節點和單元建立簡單的實體模型；間接法則是先建立幾何模型，然后劃分網格，建立有限元模型，用于幾何外形比較復雜的實體模型。

2.2 初始狀態問題

通常情況下，施工前的位移是經過長期的固結沉降產生的,在研究中只需關注施工后的位移變化，所以，初始地應力場下所有網格節點的位移應該全部清零。

Midas GTS軟件運用軟件中的“位移清零”功能代替了其他很多分析軟件，在分析時將初始應力等效應荷載，加到模型上，進行分析計算出的內力與變形之后,再減去由初始應力所引起的內力與變形。避免了操作繁瑣，模型計算的精確性也得到很大的提高。如圖1和圖2所示。

在施工階段中采用了置換單元材料屬性的方法:管片位置處的單元最初為土體材料屬性，隨著掘進施工的推進逐漸置換為管片材料屬性并加上接觸單元。對盾構機掘進過程中施工階段的模擬，有助于對施工過程安全隱患的預警，可以得到不同施工階段中土體、管片、樁基及建筑物的變形和受力情況，本次模擬分析包括18個施工階段:一個初始階段（計算初始地應力場）和17個盾構機掘進階段。

圖1 初始地應力場下位移為零

圖2 初始地應力場

2.3 單元的激活與鈍化

在基坑開挖的施工過程中，通常需要使用必要的圍護結構，來保證基坑的穩定性。常用有限元軟件中的單元對圍護結構進行仿真數值模擬。常用到的單元有:桿梁線單元、板殼面單元以及最常在工程實例中見到的實體單元。在使用之前，先要使圍護單元置于“空單元”狀態，完成后在設置的適當施工工況中來恢復圍護單元的單元屬性，以實現對基坑的圍護。通常在運用Midas GTS軟件中的“激活”與“鈍化”命令來重新賦予材料屬性。

3 地鐵車站深基坑工程模擬

地基基礎的穩定性直接影響著地上建筑物的安全運行。地基基礎一旦不穩定就有可能會造成建筑物發生嚴重的質量事故。小則墻體開裂，大則建筑物傾斜等，甚至有可能會發生倒塌事故。尤其是當建筑物的位置剛好處于斜坡上時，地基有可能會因發生整體或者局部的剪切破壞而喪失穩定性,因此要想要保證建筑物的安全，首先必須保證建筑物地基基礎的安全性。所以，對建筑物地基基礎的穩定性分析具有重要的理論意義和實用價值[3-4]。在實際的工程運用中，通常會先將地基的基礎視作共同的工作系統，通過觀測地基基礎的整體和局部的變形或者觀測其上部結構反應，來判斷基礎和樁的使用狀態，并結合以往的工程經驗來評定基礎以及樁的安全性。有時會利用Midas GTS軟件從分析地基應力場和應變場的分布，樁基的位移和變形，邊坡穩定性等幾個方面對于人工地基的穩定性進行評估，然后再進行綜合評定。建立高嘉花園和向貴樓位置處復合地層模型，研究具有建筑物基礎的復合地層中盾構掘機進對建筑物的影響，研究盾構機穿越復合地層時如何對建筑的保護以及如果利用有效措施控制復雜地質情況下盾構機施工的地層沉降。大致工程概況模型如圖3所示[5]。

圖3 高嘉花園和向貴樓位置處復合地層模型

1）有限元模型在建模中的網格劃分

在使用有限元軟件建立模型時，精密度以及構建均勻性網格劃分，對建模能否成功起關鍵性的作用，在Midas GTS軟件中常常使用K-線命令由建立幾何形狀直接生產網格，在建立高嘉花園和向貴樓位置處復合地層模型時土體單元尺寸為1.5 m，支護結構尺寸1 m。為了使建立的地下連續墻網格以及土體網格相耦合,使用軟件中的命令——“析取單元”來建立摩擦面單元。

2）模型中的邊界條件

因為實際工程中，基坑在2倍基坑的最終開挖深度處的巖層為中風化泥質砂巖。由于該土層屬于砂巖，故在所建立的三維模型中，底部節點的邊界條件就采用了約束Z方向的位移鉸支邊界條件，同時，模型的左右兩側邊界條件跟前后兩側都是選用滑動類型邊界條件，所不同的是，前后兩側約束Y方向，左右兩側約束X方向。模型中的邊界條件見圖4。同時圖4里的邊界模型也是基于高嘉花園和向貴樓位置處復合地層模型所建立的研究模型。如圖4所示。

圖4 模型邊界條件

4 小結

巖土工程的復雜性和多樣性加大了巖土工程問題研究的難度。運用有限元軟件可以簡化物理模型描述較為復雜的工程問題，分析了解整個結構的應力場以及位移場，達到科學合理的進行結構設計的目的。希望隨著工程技術的不斷發展,類似Midas GTS的巖土分析軟件能夠不斷優化，更加便捷的為巖土工程所運用。

[1]盧廷浩.巖土工程數值分析[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[2]MIDAS-GTS,用戶手冊[S].北京:北京邁達斯技術有限公司,2004.

[3]劉婧.深基坑邊降水邊開挖的變形特性研究.[D]上海交通大學碩士論文,2010.

[4]裴利華.非穩定滲流基坑變形分析[J].鐵道勘察與設計, 2007(4):52～55.

[5]張志強,何川,等.深圳地鐵一期工程7C標段-崗廈區間隧道施工力學研究報告[R].成都:西南交通大學,2001.