第一篇 MIDAS/GTS的分析功能
2.1.1 岩土单元的添加
施工阶段分析中添加的单元的初始应力状态为零。结构上将增加相当于单元自重的荷载。添加后的岩土单元的处理方式将与结构单元相同。
2.1.2 删除岩土单元
岩土单元在删除前处于受力状态。假如删除单元周边作用有荷载时，剩下的单元应通过适当的应力释放，使新生成的自由面不受应力的作用。
如图1.11所示，将物体A从物体B中删除。删除前各物体的应力分别为?AO和 ?BO，考虑了生成该应力的所有荷载。两个物体处于平衡状态，所以为了与?BO保持平衡荷载FAB应由物体A作用在物体B。同样荷载FBA应作用在物体A。因此，作用在某边界上的挖掘荷载与挖掘的单元的应力状态以及这些单元的自重相关。可定义下面公式:
FBA???BT?AOdVA??NT?dVA
VAVA (1.60)
且，
B N
: 应变-位移关系矩阵 : 单元形函数 : 岩土的容重
VA : 挖掘体积
?
31
32
第一篇 MIDAS/GTS的分析功能
A?AOB?BO(a)TFAB(b)? TFBA(c)
图1.11 删除单元: 荷载分配示意图
2.1.3 荷载释放系数
将三维模型简化为二维模型以及简化三维模型的施工阶段时，一般使用荷载释放系数模拟删除单元后各施工阶段的效果。
MIDAS/GTS中可指定任意阶段的荷载释放系数，例如从开挖连续三个施工阶段中的应力释放比例假定为40%、30%、30%，在MIDAS/GTS中的开挖阶段中可分别定义0、1、2阶段的荷载释放系数为0.4、0.3、0.3(参见图1.12)。
第一篇 MIDAS/GTS的分析功能
图1.12 输入荷载释放系数对话框
2.1.4 位移初始化(清零)
在施工阶段分析过程中有时要将位移清零。例如初始地应力作为初始的荷载条件其位移应为零。
MIDAS/GTS中可以任意指定阶段做位移初始化，这样在需要事先做一些分析(比如地应力的计算、渗流)后再清零的施工阶段分析中非常实用.
2.1.5 岩土材料特性的变化
在施工阶段分析过程中，有时会对地基进行加固或换土处理，岩土材料有时会随时间发生硬化等。在施工阶段分析中遇到这样的问题时需要更换材料的特性.
MIDAS/GTS对施工过程中修改材料特性的次数没有限制。更换材料特性对前面分析阶段的结果没有影响。
35
36
第一篇 MIDAS/GTS的分析功能
2.1.6 初始自重应力
初始自重应力的计算方法有两种。
(1) 水平侧压力系数法 给定水平侧压力系数K0按下面公式计算初始自重应力(公路隧道设计规范 JTJ D70-2004的附录J)。
?gz???iHi (a) ?gx?K0(?z?pw)?pw (b)
公式中，?ggz、?x: 竖直方向和水平方向的初始自重地应力。 ?i：计算点以上第i层岩石的重度。 Hi: 计算点以上第i层岩石的厚度。
pw: 计算点的孔隙水压力。在不考虑水头变化的情况下，pw由计
算点的静水压力确定。即pw??wHw(?w为地下水 的重度，Hw为地下水的水位差)。
在计算过程中忽略剪切应力。
当地面为水平面时，使用该方法没有问题。但是当地面不是水平面时，使用该方法计算得到的应力状态不能和自重形成平衡状态。为了形成平衡状态，应使用自重和上面计算的应力状态的内力差(不平衡力)进行分析。该阶段可使用没有任何变化的空阶段(null stage)进行分析。
(2) 有限元法 采用有限元法计算自重引起的初始应力。当地面水平时，该方法K0??/(1??)时的水平侧压力系数法的结果相同。但是当地面不是水平时，因为存在水平方向的应变，所以计算的结果与水平侧压力系数法不相同且具有剪切应力。
第一篇 MIDAS/GTS的分析功能
一般来说地面不是水平面时使用该方法较好一些。但是有限元法不能计算K0大于1的情况，所以当K0大于1时可使用水平侧压力系数法计算，为了满足地应力与自重的平衡可利用空阶段(null)进行分析。
3. 渗流分析(Seepage Analysis)
本节中将介绍MIDAS/GTS中使用的渗流分析方法、步骤和一些技术内容。
3.1 稳定流分析
稳定流分析(steady-state seepage analysis)是指岩土内部和外部的边界条件不随时间变化的分析，在分析区域内的流入量和流出量始终保持不变。非稳定流分析(transient seepage analysis)即时使用稳定的边界条件，流入量和流出量也随着时间发生变化。
当存在含水土层(aquifer)，区域内边界上存在水头差(head difference)或存在流量 (flux)时，就会发生渗流现象。
渗流(seepage flow)是沿着岩土内部的粒子间孔隙流动的，一般遵循达西(Darcy)定律。在稳定流条件下通过岩土体积的渗透流量是渗透系数、水力坡降以及横断面积的之间的乘积。达西定律虽然是研究饱和状态的，但同样可适用于非饱和状态的。
非饱和区域泛指从完全干燥状态到完全饱和状态的区域。饱和度在100%以下时，土壤颗粒之间的孔隙除了水以外还存在空气，饱和度非常低时水珠将以凹状附着在土壤颗粒间。
随着饱和度的降低，孔隙水压因为表面张力的影响逐渐发展成张力，所以将负的孔隙水压(negative pore pressure)也称为吸入压力(suction pressure)，一般来说饱和度越低，吸入压力越大。
37