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《岩土·月半》特辑 GTS NX在高边坡工程中的应用 从入门到精通 从今天开始我们微信公众号连载马老师的《岩土·月半》特辑 GTS NX在高边坡工程中的应用从入门到精通，难得的好资料，马老师亲自手打，是我们的福气啊！ 马老师 MIDASIT技术中心金牌讲师 岩土月半“二小姐”，讲师经验4年，北京交通大学岩土工程硕士，负责《岩土月半》网络课堂，MIDAS官方全国岩土群技术支持，全国岩土大客户技术支持、培训等工作，参与编写MIDAS岩土用户手册等技术资料。 2.3.1 暴雨工况1）设置暴雨工况 暴雨工况分析，可以在一般工况的模型基础上直接进行。GTS NX的模型网格具有通用性，在原网格的基础上，新增渗流边界条件和荷载，改变分析工况即可实现渗流工况的分析。如果工况的进行是持续的，也可以从施工阶段中，定义随时间变化的动态工况，以实现对整个项目自始至终的整体把握。 《建筑边坡工程技术规范GB50330-2013》中对一般工况做了详尽规定，但由于建筑边坡通常规模相对较小，对暴雨工况没有过多要求。暴雨工况的边坡通常用于地质灾害评估，或公路高边坡的边坡治理，以及一些多山地区，例如贵州、四川等地的市政高填、高挖、高切边坡。 《公路路基设计规范 JTG D30-2015》条文3.6.7：高路堤与陡坡路堤设计时，应进行路基稳定性计算分析。分析时，应考虑以下三种工况： 1正常工况：路基投入运营后经常发生或持续时间长的工况。 2非正常工况Ⅰ：路基处于暴雨或连续降雨状态下的工况。 3非正常工况Ⅱ：路基遭遇地震等荷载作用的工况。 首先来看“非正常工况1”，也即暴雨工况。GTSNX提供了方便的边坡分析的功能，可以实现多施工阶段，多工况的集成化分析。在正常工况的模型基础上，增加渗流边界条件，进行流固耦合分析，即可实现暴雨工况的稳定性计算。 相对于正常工况，暴雨工况在建模分析上有三个地方的不同：渗流参数、渗流边界和分析工况。 （1））渗流参数 在涉及水的分析中，渗流参数是必须输入的参数。但根据执行的分析类型的不同，调用的参数也不尽相同。
图1 渗流参数表 容重（饱和）：岩土体饱和状态的容重。一般在计算中设置静水位时，水位以上土压力的计算采用天然重度，水位以下的计算采用饱和重度。如果模型中不设置水位，则默认按天然重度计算。 初始孔隙比：该参数在进行固结分析及应力-渗流完全耦合分析时的初始孔隙比。固结分析和应力-渗流完全耦合分析有一个共同的特点：孔隙水压力的消散和土颗粒之间的孔隙为分析关注的重点，因此固结或渗流开始时的初始孔隙比必须输入。而在进行在两者之外的分析时，初始孔隙比不参与计算，调整该参数也不对结果产生任何影响。 多数土体的孔隙比小于1。如果是粘土或有机土，初始孔隙比可能会高于1。一般情况下，粗粒砂孔隙比为0.6~0.8，密度高且沙粒分布好的沙土为0.3，细粒土的孔隙比甚至能达到2~3。但该参数的取值很大程度上受取样和压实度的影响。 非饱和特性：非饱和特性是为考虑土体的非饱和状态而设置的参数（函数），在执行瞬态分析时，例如边坡分析的暴雨工况，在降雨过程中，岩土体存在从非饱和-饱和的过程，此时必须设置非饱特性，如果不考虑非饱和特性，则默认岩土为饱和状态，将无法进行基于时间变化的渗流分析。而在执行稳态分析时，即使输入此参数，也并不调用参数进行计算。 GTS NX软件提供了两种专业非饱和特性函数：相关和独立。可定义非饱和区域内基于负孔隙水压力大小的渗透率和含水率（或饱和度）变化的非饱和特性函数。 独立：分别定义基于压力水头（负孔隙水压）的渗透系数和含水率函数。 图2 独立非饱和特性函数 相关：定义压力水头-体积含水率（饱和度）-渗透率的关系。 图3 相关非饱和特性函数 非饱和特性函数，可以根据水土特征曲线（SWCC）输入。水土特征曲线是解释非饱和土工程现象的一项基本关系，将理论、试验测试与预测方法有机联系起来，表征了非饱和土中吸力与含水量或饱和度之间的关系，通过这种曲线将非饱和土的强度与渗透性联系起来。 提非饱和特性参数，获得水土特征曲线，虽然并不困难，但是出于各种现实性的考虑，对现阶段大部分勘察单位来说，都比较少见。一来是有限元流固耦合分析未在各设计院完全普及，工程师在做设计之前，可能并未预先想到要做有限元分析，从而提前要求勘察提供该参数。二是因为有限元的分析结果，用于做定性分析时，准确到可怕，但是用于做定量分析辅助设计时，各工程师仍旧对此莫衷一是，因此对此参数也就没有相应的执着。基于此情况，在没有非饱和特性参数的情况下，可以考虑使用“静水位”来设置，进行暴雨工况的分析。 排水参数：表征土体排水特性的参数。应力分析时的水压力分为孔隙水压力和超孔隙水压力，不排水状态，会产生比较大的超孔隙水，排水状态的超孔隙水压力接近0。通常输入的强度和刚度参数需跟场地的排水条件一致。 《公路路基设计规范 JTG D30-2015》条文3.6.8：高路堤与陡坡路堤稳定性分析的强度参数应根据填料来源、场地情况及分析工况的需要，选择有代表性的土样进行室内试验，并结合现场情况确定。试验方法应符合下列要求： 1路基填土的强度参数c、j 值，可采用直剪快剪或三轴不排水剪试验获得。当路基填料为粗粒土或填石料时，应采用大型三轴试验仪或大型直剪试验仪进行试验。 2地基土的强度参数c、j 值，宜采用直剪固结快剪或三轴不排水剪试验获得。 3分析高路堤沿斜坡地基或软弱层带滑动的稳定性时，应结合场地条件，选择控制性层面的土层试验获得强度参数c、j 值。可采用直剪快剪或三轴不固结不排水剪试验。当存在地下水影响时，应采用饱水试件进行试验。 从上述条文可见，规范条文已经明确规定了不同的场地情况，为获得准确的参数须采用的不同试验方法。工程师在将工点的现场情况模拟成计算模型时，也应参照勘察获得岩土参数时使用的试验方法，在模型中选择对应的场地排水条件。 顺手科普： 直接剪切试验（直剪试验）：使用直剪仪进行室内试验，测定剪切面上的抗剪强度。试验时，加荷架对试样施加竖向力，试样上下方各有一块透水石，方便试样排水。剪切试验分为快剪，固结快剪和固结慢剪。快剪为竖向力施加后，立即加水平力，剪切速度很快，3-5分钟，土样被剪破，试件受剪过程不排水。固结快剪为先使试样在法向力作用下达到完全固结，然后加水平力进行剪切快速的3-5分钟把试样剪破，剪切过程不让孔隙水排出。慢剪为先使试样在法向力作用下完全固结，然后慢速加水平力，（1-4h）将土样剪破,土样剪切的过程有时间排水。 三轴剪切试验：使用土工三轴仪测定土的抗剪强度。可以根据实际情况的不同，设定不同的排水条件和固结条件，得到固结排水剪、固结不排水剪、不固结不排水剪情况下的参数。 GTS NX提供了适用于不同场地的排水条件： 图4 岩土排水环境 ①排水分析：适用于施工过程持续长时间进行，荷载分级施加的情形，或砂性土等排水性好的岩土材料的分析中，输入固结排水参数，E0’、c’、j'，由于排水充分，孔隙水压力全部消散，在使用时，使用固结慢剪、三轴固结排水剪等手段获得的有效强度参数。 ②固结不排水分析（有效刚度/有效强度）：适用于关注加载瞬间的瞬时沉降行为（主要是弹性变形）、或者粘性土等排水不良的场地的分析，这种情形下，在加载瞬间，固结和沉降行为切实存在，但主要是土骨架的体积压缩变形，孔隙水压力不能及时排出。该选项是使用排水参数模拟不排水行为的选项，此时输入固结排水参数，E’、c’、j’，区别于排水分析的刚度模量E0’，此时输入的刚度参数是土的弹性模量。 ③不排水（有效刚度/不排水强度）：适用性同2，参数取固结排水刚度参数E’，固结不排水强度参数cu，ju（=0）；附加参数不排水泊松比：0.495；B系数：根据地层土体饱和度确定。 ④不排水（不排水刚度/不排水强度）：适用于排水不良场地的饱和土，刚度和强度参数均使用不固结不排水参数E、cu、ju（=0）。 |
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