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株式會社 Build Geotechno
代表董事 花田俊弘
工程師 (建設部門/綜合技術監理部門)

使用產品Geo Engineer's Studio Ver.2
以平面形變分析、軸對稱分析為對象,進行靜態的地基應力~變形分析的2D彈塑性地基分析程式。 該產品是一種通用FEM產品,在進行擋土牆挖掘分析、潛盾隧道挖掘分析、液化分析等與地基聯動的多種土木結構的斷面力、位移及周邊地基變形影響分析時,能發揮巨大作用。 FEM模型的製作採用CAD輸入方法,並支援SXF、DWG、DXF檔的導入。 在此,我們將地基領域所使用的FEM分析簡稱為「FEM地基分析」。

FEM地基分析在地基領域的應用

株式會社Build Geotechno
代表董事 花田俊弘(Toshihiro Hanada)

福岡縣出身,1982年畢業於福岡建設專門學校。 1982年成立土木工程公司,1990年成立技術部,一直延續至今。

日本地形、地質、氣象等條件嚴峻,經常遭受自然災害。 另外,靜岡縣7月發生了大規模土石流,造成了巨大損失。 衷心表示哀悼和慰問,並祈禱早日恢復正常。 作為土木工程的從業者,我再次體會到了設計・分析等的重要性。

最近的FEM地基分析

大約半個世紀以來,用於地基領域的FEM地基分析作為解決地基變形、斜面穩定、液化、滲流、近接施工等問題的工具,模擬了許多複雜的模型。 此外,當在實驗室中難以重現實際現象或需要巨額成本時,FEM地面分析可以預測各種現象,可視化變形和應力,以及在掌握複雜的地基等的行為機制等方面做出了巨大的貢獻。

但是,由於FEM地基分析需要用到複雜的支配方程式,而且程序的實施過程幾乎都是黑箱操作,所以很多人都不擅長。 在FEM地基分析所使用的地基常數方面,相對於數十~數百平方公尺的分析範圍,土質樣品只有幾個拳頭大小,而且受費用、天數等限制,數量很難增加。

儘管如此,FEM地基解析的應用範圍越來越廣,解析程式不斷升級,輸入地基常數的文獻等也在不斷充實,實際工作中實施FEM地基解析的數量也在逐年增加。

本欄目介紹根據FEM地基解析程式「Geo Engineer's Studio Ver.2」,考慮到在實務中的應用的解析例子。

Geo Engineer's Studio Ver.2的特點

本程式是以平面應變分析、軸對稱分析為對象,透過靜態全應力法進行地基應力~變形分析的2D彈塑性地基分析程式。

作為主要的適用範圍,可以用於以下的討論。

  • 地基應力・變形分析
  • 地基與結構物的相互作用的探討
  • 水壓變動對地基影響的研究
  • 挖掘隧道時地基影響・施工研究分析
  • 擋土牆的彈塑性分析
  • 地震時堤壩液化的影響分析

另外,作為特徵

  • 可以進行考慮步驟的分析
  • 邊界條件可以定義roller・固定・強制位移
  • 元件模型是
    ・平面應變、軸對稱、梁、桿、彈簧元件等
  • 地基模型是
    ・ 彈性、非線性、MC、彈塑性、液化模型M
    ・No-Tension、梁元素的M-φ模型等
  • 可考慮的負荷是
    ・ 集中、等分佈負荷、強制位移
  • 配備自動網狀功能等,可以對應多種解析模型。

RC擋土牆的土壓研究案例

本次討論案例,是在RC造逆T型擋土牆設置時,土壓層較軟,再加上施工後的鄰接地因殘土臨時放置引起的土壓增加而對RC擋土牆構造上的影響進行解析(2D)的例子。

分析以平時為物件,將設置階段按步驟建模,進行2DFEM地基分析。 將按以下步驟進行解說。

1. 施工前(說明用模型圖↓)

2. 挖土・挖掘時(剪切應變等值線圖↓)

3. 擋土牆設置(剪切應變等值線圖↓)

4. 鄰地殘土臨時放置時(剪切應變等值線圖↓)

由於殘土臨時放置,豎壁腿部彎曲力矩增加了約72%,RC擋土牆位置偏移了約8mm。

RC擋土牆的土壓研究案例

模型圖

・節點數:2724 /·實體元素:2601 /·元素:MC、彈性

點移圖(X10)

主應力圖

挖掘隧道時對周邊地基的影響分析

本次研究案例分析了盾構隧道挖掘對周圍地面沉降的影響。 這是一個分析(2D)盾構挖掘過程中對地面影響的示例,挖掘直徑為6m。

上圖:鉛直方向沉降量等值線圖↑

・ 地表鉛直沉降量= 10mm
・ 結果是盾構挖掘面頂部下沉量為16mm,判斷對周圍地面的影響不小。

挖掘隧道時對周邊地基的影響分析

模型圖

・節點數:5198 /·實體元素:5088 /·元素:彈性

挖掘時點移圖(X100)

挖掘剪切應力圖

斜面穩定研究案例

本案例是對填方坡面下水位上升時的變形·作用力進行解析(2D)的案例。

上圖:位移圖(X10倍)↑

上圖:剪切應力等值線圖↑

可以看出變形集中在填方下部分的土層。

斜面穩定研究案例

模型圖

節點數:3336 /·實體元素:3216 /·元素:彈性

主應力圖

RC地下水道變形分析(應答震度法) 示例

本次研究是地下設置BOX的2級地震時「應答震度法」的變形和作用力分析(2D)的示例。

上圖:位移圖(X10倍)↑

上圖:剪切應力等值線圖↑

作用在BOX上的應力計算結果中,顯示了M(力矩)圖(上圖↑)。

RC地下水道變形分析(應答震度法) 示例

模型圖

・節點數:2340 /·實體元素:2204 /·元素:彈性

主應力圖

河川堤防在地震時的穩定(液化)研究案例

這是在評價既有河川堤防的耐震穩定性時使用FEM地基分析的事例。 具體來說是,「H19.3河流結構物的耐震性能照査指南(案)、該解說」及「H28.3河流結構物的耐震性能照査指南」國土交通省河流局治水科基礎地基的FEM自重變形解析(2D)(計算液化引起的沉降量)。

上圖:流程圖↑

解析中進行「等級2(1)液化前→(2)液化時→(3)體積壓縮時」的步驟解析,透過解析求出「液化引起的自重變形量」。

(2)液化時:液化FL分布圖↑

(3)體積壓縮時:位移圖↑

本堤防因2級地震發生液化的可能性較大,而且預計堤體下側土層將發生液化。 另外,由於液化引起的堤體下沉量接近洪水時的水位,因此判斷該堤壩在耐震方面存在問題。

河川堤防在地震時的穩定(液化)研究案例

模型圖

・節點數:10374 /·實體元素:3351 /·元素:雙線性彈性,剛性下降彈性,彈性

綜上所述

因此,FEM地基分析可以應用於多種結構,也可以用於分析與RC結構的復合結構。 另外,可視化圖表豐富,變位和應力分佈也可以用彩色圖確認。

「Geo Engineer's Studio Ver.2」作為地基領域的FEM分析工具,應用領域廣、計算穩定、操作簡單易懂。 可靈活運用於解決業務中的各種問題。

(Up&Coming '21秋季刊)



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