【正文】 上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP等。由于計算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運而生，ANSYS軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無法進(jìn)行。 Ansys軟件介紹ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。先將每個的單元剛度矩陣合成整體剛度矩陣，再將各單元的等效節(jié)點力集合成總的荷載陣列—總剛度矩陣。 建立平衡方程組。 利用應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系即物理方程，推導(dǎo)出應(yīng)力的表達(dá)式： (33)式中D——單元材料彈性常數(shù)所確定的彈性矩陣，S——應(yīng)力矩陣。 (3)單元特性分析。不管哪類位移單元，采用矩陣符號并建立相關(guān)的矩陣方程，單元中任意一點的位移矩陣d，均可用該單元節(jié)點位移排列成的矩陣，又稱單元節(jié)點位移矩陣，表示為。 (2)確定單元的位移模式。這些單元體被認(rèn)為僅僅在單元的集合體來代替原來分析得結(jié)構(gòu)，并在單元體得指定點設(shè)置節(jié)點，使相鄰單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連續(xù)性。應(yīng)用有限元分析得第一步就是要將結(jié)構(gòu)離散化。(3)采用矩陣形式表達(dá)，便于程序的編制，可以充分利用高速計算機(jī)所提供的方便。有限元法的優(yōu)點(1)概念淺顯，容易掌握，可以在不同的水平上建立起對該法的理解:可以通過非常直觀的物理概念來理解，也可以建立給予嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析的理論。(3)把所有單元的這種特性關(guān)系按一定的條件(變形協(xié)調(diào)條件)集合起來，引入邊界條件，構(gòu)成一組以節(jié)點變量(位移)為未知量的代數(shù)方程組，求解之就得到有限個節(jié)點處的待求變量。在節(jié)點上引進(jìn)等效載荷(或邊界條件)，代替實際作用于系統(tǒng)上的外載荷(或邊界條件)。目前，有限元發(fā)已成為工程設(shè)計中不可或缺的一種重要方法。這種方法大約起源于20世紀(jì)50年代航空工程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析。本文采取的主要分析方法即為數(shù)值分析法。(3)數(shù)值分析解。此類方法以作用在無限半空間的集中荷載引起豎向沉降的Boussinesq解析解為基礎(chǔ)，或以Mindlin解析解為基礎(chǔ)，可得到各類己知分布荷載作用下沉降解析解。圖25 復(fù)合地基沉降示意圖分層總和法的一個非常重要概念是采用附加應(yīng)力來計算豎向沉降，本文將在下面的章節(jié)討論分層總和法對隧道地基加固的適用性。于是，在荷載的作用下復(fù)合地基的總沉降量S可表示為兩部分之和，即S=S1十S2。在各類實用計算方法中，通常把復(fù)合地基沉降量分為兩部分，如圖25所示，H為復(fù)合地基加固區(qū)厚度，Z為荷載作用下地基壓縮層的厚度。 復(fù)合地基現(xiàn)有沉降理論與方法盡管復(fù)合地基大量使用于工業(yè)與民用建筑基礎(chǔ)、交通路基工程等領(lǐng)域，但長期以來，復(fù)合地基沉降計算理論還不夠成熟，至今仍無明確的規(guī)范可用，基本上是參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》及一些推薦方法。從目前的工程實踐來看，復(fù)合地基的處理效果是令人滿意的。目前在黃土地區(qū)工程實踐中廣泛采用的地基處理措施有換填墊層法、強夯法、擠密樁法、堆載預(yù)壓法等等，而目前最為流行的是擠密樁法、碎石樁、CFG樁等復(fù)合地基處理的方法?，F(xiàn)場實測得到的各隧道部分物理指標(biāo)見表23.表23，物理參數(shù)表隧道名黃土類型含水量孔隙比飽和度液限濕陷系數(shù)秦東Q3eo13Q2eo13+e13潼洛川Q3eo13Q2eo13+e13Q1eo13+e1367高橋Q3eo1338Q2eo13鳳凰嶺Q3eo13Q2eo1327由表23可以看出，無論新、老黃土，為了施工及運營的安全，必須進(jìn)行基底加固處理，嚴(yán)格控制沉降，使之符合高速客專安全標(biāo)準(zhǔn)。z——上述加壓穩(wěn)定后的土樣，在浸水作用下，下沉穩(wěn)定后的高度； hi——第i層土的厚度(cm) ； β0——因土質(zhì)地區(qū)而異的修正系數(shù)，可查表?！　?1)當(dāng)自重濕陷量≥7cm時，應(yīng)定為非自重濕陷性黃土場地； 　(2)當(dāng)自重濕陷量7cm時，應(yīng)定為自重濕陷性黃土場地?！　　　≡u價濕陷的標(biāo)準(zhǔn)為:　　(1)當(dāng)s，應(yīng)定為非濕陷性黃土；　　　　(2)當(dāng)s≥，應(yīng)定為濕陷性黃土。一、濕陷性判定在一定壓力下的室內(nèi)壓縮試驗測定的濕陷系數(shù)s:應(yīng)按下式計算: (21)式中：hp——保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的土試樣，在一定加壓壓力下穩(wěn)定后的高度；　　　h39。(3)浸水過程時，黃土的濕陷處于發(fā)展過程中，此時抗剪強度降低最多。(1)當(dāng)黃土的含水量低于塑限時，水分的變化對強度的影響最大，但當(dāng)含水量大于塑限時，含水量對抗剪強度的影響減小，而超過飽和含水量時，抗剪強度的變化不大。Q2和Q3早期黃土，多為中等偏低壓縮性；Q3晚期和Q4黃土多為中等偏高壓縮性。 :是決定黃土性質(zhì)的另一個重要指標(biāo)，當(dāng)液限在30%以上時，黃土的濕陷較弱且多為自重濕陷性黃土。當(dāng)然，這與各地區(qū)的黃土分布有關(guān)。:黃土的天然含水量與濕陷性關(guān)系密切。一、濕陷性黃土基本物理性質(zhì):一般顆粒粒徑小于0. 005 mm,顆粒含量以粉粒居多，占52~74 %，砂粒含量占11~29 %，粘粒含量占8~26 %:變化在0. 85~1. 24之間，大多數(shù)在1. 0~1. 1之間。在全新世上部，部分地段還有新近堆積黃土存在，稱為Q24黃土。一般地，把形成于下更新世(Q1)的午城黃土和形成于中更新世(Q2)的離石黃土統(tǒng)稱為老黃土。因此可以認(rèn)為黃土的結(jié)構(gòu)性和欠壓密性是黃土具有濕陷性的基本內(nèi)因。黃土的結(jié)構(gòu)性是導(dǎo)致黃土欠壓密性的原因。黃土的結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)為具有一定的結(jié)構(gòu)強度，即具有保持土原始基本單元結(jié)構(gòu)形式不被破壞的能力。由于特定的地質(zhì)環(huán)境和物質(zhì)組成，黃土在沉積過程中形成的結(jié)構(gòu)狀態(tài)決定著結(jié)構(gòu)本身在新的條件下的變化傾向。黃土的特殊性除了表現(xiàn)在它的地質(zhì)特征，微觀結(jié)構(gòu)特征以及其它物理性質(zhì)以外，從巖土工程意義來說，黃土的特殊性質(zhì)最主要的是它的力學(xué)性質(zhì)特別是強度和濕陷特性。隨著對第四紀(jì)以來地層及工程性質(zhì)研究的深入和工程實踐的豐富，地質(zhì)界和工程界現(xiàn)在普遍認(rèn)為黃土是早更新世以來在干旱和半干旱這個特定地區(qū)沉積并成壤的物質(zhì)。我國黃土分布面積達(dá)到60余萬平方公里，分布連續(xù)、地層齊全、厚度大為其主要特點。所以客運專線隧道的修建就應(yīng)該更加重視對環(huán)境的影響，圍繞降低噪聲、減少對自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和周邊人文環(huán)境的破壞，采取不同于普速鐵路隧道的工程措施。(5)對環(huán)境的影響更加明顯 對環(huán)境的影響更加明顯環(huán)境包括自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和周邊人文環(huán)境，客運專線列車以較高的速度運行，其產(chǎn)生的輪軌噪聲、機(jī)械噪聲、弓網(wǎng)噪聲和空氣動力學(xué)等噪聲將比普速列車明顯，對環(huán)境的影響也比普速列車大。 (4)防災(zāi)救援要求高 隧道中運行的主要是高速度的旅客列車，一旦發(fā)生事故和災(zāi)害，后果比一般鐵路要嚴(yán)重的多。③對于路堤高度大于10 m及位于兩橋間距離大于5000 m的路基，若最大工后沉降小于6 cm且滿足調(diào)整后的軌道豎曲線半徑ra，即在350 km/h速度條件下，10 m范圍內(nèi)沉降差不超過2 mm，不影響無碴軌道高速運營；④運營后沉降速率不大于2 mm/年。①工后沉降不應(yīng)超過扣件調(diào)節(jié)量5 mm，最大調(diào)節(jié)量取決于鋼軌扣件的類型，5 mm是為運營期間列車荷載引起的沉降變形預(yù)留的。以下為德國工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。(3)對線路平順性要求高線路的平順直接影響到行車安全和旅客的舒適度，而時速200 km/h以上的客專對線路平順性要求更高，這就涉及到高速鐵路修建的工后沉降控制問題。歐洲及日本的研究成果表明:同樣的一條裂紋，對普速鐵路隧道來說在外荷載停止發(fā)展后，將不再繼續(xù)變化，而客運專線隧道就不同了，即使外荷載停止了發(fā)展，但在頻繁變化的洞內(nèi)空氣壓力波的作用下，裂縫還將繼續(xù)發(fā)展，從而降低隧道襯砌耐久性和使用功能，甚至危及行車安全。客運專線隧道由于其運營速度比較高，對結(jié)構(gòu)和各種運營設(shè)施所產(chǎn)生的作用影響也就越大，對相應(yīng)工程結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性的要求也就越高。當(dāng)以概率來度量時，成為結(jié)構(gòu)的可靠度。從隧道方面來說，就是采用單洞雙線大斷面隧道?？諝鈩恿W(xué)效應(yīng)會帶來諸如乘客不適，進(jìn)出口環(huán)境噪音，隧道維護(hù)人員不安全等一系列問題。(1)空氣動力學(xué)效應(yīng)列車在高速運行的條件下，對隧道結(jié)構(gòu)的要求主要是空氣動力學(xué)特性方面的。表21 日本隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分凈空斷面積/m2說明標(biāo)準(zhǔn)斷面70~80雙車道大斷面80~140有人行道的雙車道隧道超大斷面140與路面寬相同的三車道表22 國際隧道協(xié)會隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分凈空斷面積/m2超小斷面3小斷面3~10中等斷面10~50大斷面50~100超大斷面100 高速鐵路隧道施工特點客運專線鐵路以其運行速度高、線路平順性要求高、安全舒適、節(jié)約時間等特點，比其他交通工具有更多的優(yōu)越性。日本的劃分標(biāo)準(zhǔn)和國際隧道協(xié)會的劃分標(biāo)準(zhǔn)都是以凈空斷面積劃分的，分別見表21和表22。分析計算結(jié)果，對比己有工程的量測數(shù)據(jù)及規(guī)范規(guī)定量值，對結(jié)果的合理性、可靠性進(jìn)行判定:若合理，則通過分析，提出研究結(jié)論；若不合理，則需要重新對計算參數(shù)進(jìn)行修正與優(yōu)化，并重新計算。對于計算參數(shù)的確定，一般采用設(shè)計單位地勘部門提供的資料，若沒提供，查找類似工程的物理力學(xué)參數(shù)，或者參考現(xiàn)行規(guī)范。核心部分針對高速鐵路隧道的技術(shù)特點、黃土的工程特性及大斷面黃土隧道修筑中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，以數(shù)值分析作為研究手段，應(yīng)用大型通用有限元軟件ANSYS為計算手段，將弧形導(dǎo)坑法與全斷面開挖法進(jìn)行了比選，并對襯砌結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評價。 綜上所述，鄭西客運專線黃土隧道設(shè)計與施工地質(zhì)條件復(fù)雜、修建難度大，如何采取合理有效的工程措施、高標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行黃土隧道設(shè)計和施工，確保鄭西客運專線建成后順利運營，對隧道設(shè)計和施工提出了新的課題，而鄭西客運專線超大斷面黃土隧道的設(shè)計也將是國內(nèi)外類似隧道工程修建技術(shù)的一個新臺階。高速鐵路隧道的技術(shù)性和黃土濕陷特性決定了修筑高速鐵路隧道的技術(shù)難點。需要進(jìn)行更為深入的研究。在巉柳高速公路土家灣隧道施工過程中，針對飽和黃土圍巖無法掘進(jìn)施工的難題，按照課題研究成果，對飽和黃土地段圍巖進(jìn)行了加固處治，提出的設(shè)計方法和施工工藝，為類似地質(zhì)條件下的黃土隧道設(shè)計與施工提供了成功經(jīng)驗[2]。長安大學(xué)等以現(xiàn)場測試和試驗為手段，結(jié)合數(shù)值仿真分析，對黃土隧道圍巖壓力及結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行研究。(3)邊墻出現(xiàn)受拉區(qū)，在施工過程中，要加強監(jiān)測[5].凌榮華等研究了大跨度深埋黃土隧道在其它條件不變的前提下，隧道開挖時黃土的變形破壞規(guī)律和襯砌中內(nèi)力的分布規(guī)律，指出:黃土大跨度深埋隧道在不同開挖方式下的變形破壞規(guī)律是存在本質(zhì)區(qū)別的，導(dǎo)致這本質(zhì)區(qū)別的原因在于被開挖體的形狀特征、初始與開挖過程中應(yīng)力場特性、土體的強度特征以及襯砌的力學(xué)性質(zhì)和過程；不同的開挖方式?jīng)Q定了大跨度深埋黃土隧道的襯砌中內(nèi)力分布規(guī)律根本不同，這就可以對開挖方式與襯砌形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對工程實踐具有明確的指導(dǎo)意義。(2)黃土發(fā)生濕陷，水是其中的主要因素，因此在施工過程中要注意地下水和排水管道的滲漏水造成黃土濕陷，做好防排水措施，施工用水和圍巖滲水要及時排除。韓斌、朱庭勇等研究指出，黃土地區(qū)修建各種建筑物時，要充分考慮建造區(qū)域黃土的濕陷性。作為工程應(yīng)用，當(dāng)應(yīng)力小于比例極限時，深層黃土可足夠近似地被看作是直線變形體，運用直線變形體理論來研究，當(dāng)應(yīng)力超過比例極限時，深層黃土可作為彈塑性體，運用相應(yīng)的彈塑性理論來研究，塑性條件可采用莫爾庫侖準(zhǔn)則。對于埋深20~50 m，跨度6~10 m的洞室，拱頂最大下沉量約3~5 cm，地表沉降量很小，土體變形隨著掘進(jìn)和時間的增長而增長，增長速率開始較快，以后逐漸減慢，并趨于穩(wěn)定，基本穩(wěn)定時間3 ~4個月。土體變形不是局限于洞周附近的一個小范圍內(nèi)，而是由洞周直至地表的一個很大范圍內(nèi)。在現(xiàn)有的工程中常用的洞形及高跨比下黃土銅室的塌方首先發(fā)生在拱肩或兩側(cè)，然后隨著洞形及應(yīng)力條件的惡化向洞頂發(fā)展，塌方的主要特征是脆性剪切破壞。在此基礎(chǔ)上，建立了高濕度Q2黃土的非線性流變本構(gòu)模型并確定了相應(yīng)的模型參數(shù)[4]。在黃土地區(qū)已往開挖工程的經(jīng)驗還表明:高濕度Q2黃土在施工開挖中具有明顯的時效特征。該工程是首次在西北黃土地區(qū)推廣逆作法施工的地下人防工程，結(jié)構(gòu)與施工設(shè)計主要采用工程類比法。研究結(jié)果表明:①新奧法施工方案在該大斷面高水頭飽和黃土圍巖中能夠成洞；只需緊跟掌子面噴護(hù)，掛網(wǎng)25 cm加系統(tǒng)錨桿形成柔性支護(hù)圈即可維持圍巖穩(wěn)定；② %；③雙洞合一的掏槽一次永久襯砌方案也可成洞，且施工技術(shù)要求最低，但洞周變形最大(約140 mm) ；④雙洞合一的預(yù)制混凝土超前壓樁襯砌方案雖施工工藝復(fù)雜，但卻能最大限度的限制圍巖變形(最大沉降小于10 mm)，在重要建筑物底下穿過時，可能是首選方案[3]。研究認(rèn)為，新奧法施工以調(diào)動圍巖自身的承載能力，減少支護(hù)襯砌的工作荷載為宗旨，其成洞條件應(yīng)從圍巖應(yīng)力、變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力強度上同時加以考慮。~ 63 186。有不小的側(cè)向壓力，且拱圈部分比邊墻要大。(5) 雙線隧道上的土體破壞一般不能形成所謂普氏壓力拱，采用普氏理論設(shè)計與實際壓力分布不符。(3)洞室土體變形不是局限于洞周附近一個小范圍內(nèi)，而是在由洞壁直至地表的一個很大范圍內(nèi)連續(xù)變化，逐漸減小，襯砌后在洞周一定范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)土體變形有突然的、明顯的變化。(2)現(xiàn)有的黃土洞室埋深大多在20~