geostudio系列岩土工程软件

Geostudio是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件。作为优秀的岩土工程设计分析软件,GeoStudio目前已经成为上百万科学研究人员、工程技术人员、教育工作者及学生学习应用的软件之一。

官方网站https://www.geoslope.com/products/geostudio

GeoStudio是以Geo-SLOPE为主体的一套地质构造模型软件的整体分析工具,它包括以下八种专业分析软件:

² SLOPE/W(边坡稳定性分析软件)

² SEEP/W(地下水渗流分析软件)

² SIGMA/W(岩土应力变形分析软件)

² QUAKE/W(地震动力响应分析软件)

² TEMP/W(地热分析软件)

² CTRAN/W(地下水污染物传输分析软件)

² AIR/W(空气流动分析软件)

² VADOSE/W(综合渗流蒸发区和土壤表层分析软件)

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各专业软件具体介绍如下:

一、SLOPE/W(专业的边坡稳定性分析软件)

SLOPE/W软件是计算岩土边坡安全系数的主流软件产品。SLOPE/W软件对于综合问题公式化的特征使得它可以同时用八种方法分析计算简单的或复杂的边坡稳定问题,用户可以利用SLOPE/W软件对简单或者复杂的滑移面形状改变、孔隙水压力状况、土体性质、不同的加载方式等岩土工程问题进行分析。

SLOPE/W软件使用极限平衡理论对不同土体类型、复杂地层和滑移面形状的边坡中的孔隙水压力分布状况进行建模分析,SLOPE/W提供多种不同类型的土体模型,并使用确定性的和随机的输入参数方法来进行分析,也可让用户做随机稳定性分析。除用极限平衡理论计算土质和岩质边坡(含路堤)的安全性外,SLOPE/W软件还使用有限元应力分析法来对大部分边坡稳定性问题进行有效计算和分析。

1. 主要应用范围:

SLOPE/W可以对几乎所有的稳定性问题进行建模分析,主要包括:

² 天然岩土边坡

² 边坡开挖

² 岩土路堤

² 开挖基坑挡墙

² 锚固支撑结构

² 边脚护提

² 边坡顶部的附加载荷

² 增强地基(包括土钉和土工布)

² 地震载荷

² 拉伸破坏

² 部分或全部浮容重

² 任意点的线性载荷

² 非饱和土的性质

2. SLOPE/W软件的特点:

² 极限平衡理论的应用:包括Morgenstern-Price、GLE、Spencer、Bishop、Ordinary、Janbu、Sarma等各种方法。

² 土体强度模型:包括莫尔-库伦准则(Mohr-Coulomb)、双线性准则(Bilinear)、不排水准则(Phi=0)、各向异性强度准则(anisotropic)、切向/法向函数准则及其它各种类型的强度准则等;

² 指定条块间切向/法向函数类型;

² 孔隙水压力模型包括:Ru 系数、压力线、等压力线、水力梯度值、有限元计算的压力和压力水头;

² 通过同心圆栅格和半径线、滑移面前端的块体或全部指定的形状定义的可能滑移面;

² 用针对各种土体特性和加载条件的正态分布函数来进行随机近似分析。使用蒙特卡洛逼近法,SLOPE/W软件可以计算除传统的安全系数之外的随机失稳问题。

3. 与其它软件的结合应用:

用户可以在一个工程中做很多分析并把所有的分析都保存在一个数据文件中,有利于保持不同模型之间的联系。例如可以在多种加固设计方案来找出其中一个整体稳定性最后设计方案。使用多场耦合也能提高SLOPE/W同其它模块耦合计算的能力。

1) 从SEEP/W、SIGMA/W、QUAKE/W、VADOSE/W等软件中调用孔隙水压力值:

在SLOPE/W软件中使用有限元法计算孔隙水压力,使得对非常不规则的饱和/非饱和工况,和稳定分析中的瞬态孔隙水压工况分析成为可能。例如,用户可以对因孔隙水压力随时间变化而产生的稳定性变化进行分析。

2) 从SIGMA/W软件或QUAKE/W软件中调用应力值:

在SLOPE/W软件中使用有限元方法计算应力,除了可以对静态变形或地震动力进行分析外,还可以进边坡的稳定性分析。比如用户可以计算在地震载荷作用下边坡稳定的最小安全系数,或者用户可以使用Newmark类型的程序来得到相应的边坡永久变形。

二、SEEP/W(地下水渗流分析软件)

SEEP/W软件是一款用于分析多孔渗水材料,如土体和岩石中的地下水渗流和超孔隙水压力消散问题的有限元软件。它全面而简洁的表述使用户可以分析从简单的、饱和稳态问题到复杂的、饱和-不饱和时变问题。

用户可用SEEP/W分析从简单的饱和稳态到复杂的不饱和时变问题。在SEEP/W软件中,通过渗流有限元计算,可以分析边坡在不均匀饱和条件、非饱和条件下的孔隙水压力,也可以对边坡稳定时的瞬态孔隙水压力进行分析。通过瞬态分析,可以得出不同时刻不同点的孔隙水压力分布状况。通过对孔隙水压力随时间变化的结果分析,可以研究边坡、路堤稳定性与时间的关系。在水中溶质扩散转移问题中,水流速度可分析水中溶质的扩散转移。

SEEP/W软件可以用于对饱和及非饱和渗流问题的建模分析,这一特点也大大扩展了它所能分析问题的范围。除了可以对传统的稳定状态饱和渗流分析之外,SEEP/W软件中的饱和/非饱和计算模型使得该软件可以对随时间变化的渗流问题和短期渗流过程进行模拟分析。这个新增的特征可以使用户对诸如水汽锋面的迁移和超孔隙水压力的消散过程进行分析。

1. 典型应用:

SEEP/W软件可以对几乎所有的地下水问题进行建模分析。这些问题包括:

² 水库抽水后水位降低引起的超孔隙水压力的消散

² 土坡内部由于短期渗流而引起的孔隙水压力的变化

² 储水结构,如泻湖和废料池下面的地下水位的抬升

² 地下排水沟和注水井的影响

² 蓄水层被抽水而引起的水位降低

² 流入基坑中的渗流量等

2. SEEP/W软件的特点

² 分析问题类型包括稳定状态下有边界和非边界渗流、瞬态渗流、平面或横截面二维渗流和轴对称的三维渗流

² 边界条件类型包括:总水头、压力水头、流量为常数或者为随时间变化的函数、以计算水头为变量的瞬时流量函数、渗流面状况的调整和显示等

² 测定水体量和渗流函数可以由基本参数和粒径函数来估计

² 采用适应的时间步长,从而保证瞬态分析中在边界条件突变时的时间步长为最佳的时间步长

² 描绘流程图

² 土体特性:土体的水力渗流性在非饱和区域内是负孔隙水压力的函数。在瞬态过程中,水量的变化率有孔隙水压力决定的。水力渗流性可以认为在两个垂直方向上是各项异性的

² 迭代过程:有限元方程非线性特性由有效半径法莱进行迭代处理

² 水流通量:SEEP/W软件通过沿着单元网格的单个和多条线来计算总的水流通量

与其它软件的结合应用:

1) 从SIGMA/W或QUAKE/W软件中导入消散的超孔隙水压力:

由于静载或地震引起的动力响应而产生的超孔隙水压力可以代人SEEP/W软件中,在SEEP/W软件中对超孔隙水压力消散时间进行研究。

2) 将SEEP/W软件中的孔隙水压力用于SLOPE/W软件中:

在SLOPE/W软件中使用有限元法计算孔隙水压力,使得对非常不规则的饱和/非饱和工况,和稳定分析中的瞬态孔隙水压力工况分析成为可能。例如,用户可以对因孔隙水压力随时间变化而产生的稳定性变化进行分析。

三、SIGMA/W(岩土应力变形分析软件)

SIGMA/W软件是一款用于对岩土结构中的应力和变形进行有限元分析的专业软件。它具有全面模型公式,使得这种软件不但可以对简单的岩土问题进行分析,也可以对高度复杂的岩土问题,如线性弹塑性、非线性弹塑性、非线性等进行分析,许多经典的土体模型可以使用户对各种土体或结构材料进行建模分析。

有很多岩土问题不仅要计算稳定性,还希望进行应力应变分析,SIGA/W软件可以对线弹性变形问题、高度复杂的非线性弹塑性有效应力问题进行分析。SIGMA/W软件可以模拟载荷在地基中产生的超孔隙水压力。可对施工前后边坡的稳定性进行分析,有助于确定加固措施。此外,与SEEP/W软件相结合,SIGMA/W软件可以对受外载荷作用的岩土结构中孔隙水压力的产生和消散进行建模分析,并进行固结分析。

SIGMA/W软件中实质上是求解平衡方程,而SEEP/W软件中是求解连续方程,两种软件结合起来求解方程可以同时得出变形和孔隙水压力随时间的变化情况。在SIGMA/W软件中可选用加载频率或非线性土体模型来分析与估计静压力,将可用作QUAKE/W软件中的初始静压力进行动态分析。

1. 典型应用:

SIGMA/W软件可以对几乎所有地基的应力和变形问题进行建模分析。这些应力、变形问

题包括:

² 底座、充液容器、土木结构中的沉降问题

² 路堤和水坝内部或底部的变形问题

² 隧道周围的变形和应力问题

² 支撑柱或锚杆加固的基坑的侧移及其周围的表面沉降

² 开敞式基坑和放坡开挖的地面回弹。

² 孔隙水压变化引起的体积改变。

² 土与结构的相互作用:包括非粘合自由锚杆、开挖支撑和桁架结构的相互作用。

² 完全耦合固结分析

2. SIGMA/W软件的特点:

² SIGMA/W软件可以分析排水和不排水过程的总应力和有效应力、二维平面应变、三维轴对称问题、膨胀和固结问题及构造应力等问题。

² 土体固结模型包括线弹性模型、各向异性的线弹性模型、非线性弹性模型、应变软化模型、土体的帽盖模型和修正的帽盖模型等。

² 边界条件类型包括X和Y方向的位移、体力、压力、阶跃常数以及模型的自重载荷。

² SIGMA/W软件采用小变形、小应变、渐近载荷模型来处理二维平面应变和轴对称问题。对每一加载步,每个节点上的渐近位移有渐近载荷作用计算得出,加到位移上的初始载荷步计算出模型的整体位移。

² 对非线性材料的土体模型,SIGMA/W软件用Newton-Raphson方法来解迭代方程,土体参数在每一迭代步上都要更新,直到得到收敛解。

² SIGMA/W软件可与SEEP/W软件相结合分析土体的完全固结问题。由SEEP/W软件计算载荷作用下的瞬时孔隙水压力,而由SIGMA/W软件计算孔隙水压力产生的变形。

² 用于土体结构内部相互作用的梁结构和杆单元。

² 回填或开挖时的分段载荷。

3. 与其他应用软件的结合:

1) SIGMA/W软件计算出的应力可用于SLOPE/W软件或QUAKE/W软件中:

在SLOPE/W软件中用有限元方法计算出的应力值,与由变形分析中得到的应力值一样,用这些应力值就可以对一些严格的稳定性问题进行分析了。此外,在QUAKE/W软件的地震动力学分析中,用户可以将SIGMA/W软件计算出的应力作为初始应力分布值。

2) SIGMA/W软件计算出的孔隙水压力可用于SLOPE/W软件或QUAKE/W软件中:

在SIGMA/W软件中,在如回填等稳定载荷作用下产生的超孔隙水压力可以代人SEEP/W软件中研究地基中的超孔隙水压力的消散所需时间。用户可以用SLOPE/W软件来分析建造过程这些附加应力对稳定性的影响,以便用户决定分步加载的必要性。

四、QUAKE/W(地震动力响应分析软件)

QUAKE/W软件是一款用力分析由于地震冲击波、爆炸产生的动态载荷或者突然碰撞产生的冲击载荷等作用下的土工结构动力问题的岩土有限元分析软件。地震对地面建筑物产生的惯性力对其稳定性有很大影响,震动可产生超孔隙水压力。应用QUAKE/W分析软件,可将边坡分析中动应力及其产生的孔隙水压力同时考虑,能够很好地研究地震对地面建筑物的稳定性和变形的影响。在QUAKE/W软件中计算出的地震引起的超孔隙水压力,可通过SEEP/W软件分析其消散所需时间。地震波引起的超孔隙水压力的消散在震后可导致固结变形的发生,可能对建筑物和边坡稳定性产生影响。QUAKE/W软件中的各种模型公式使得QUAKE/W可对多种领域的问题进行分析计算。利用SEEP/W和SIGMA/W软件,对QUAKE/W软件计算的孔隙水压力的分析,可以模拟震后的固结变形。

1. 典型应用:

QUAKE/W软件可以对几乎所有的土工结构的动力学行为进行建模分析。这些问题包括:

² 岩土堤坝

² 天然岩土边坡

² 软土地基的沉降

² 动态爆炸产生的冲击载荷

² 任何在地震载荷作用下可能产生超孔隙水压力的天然近似水平的地区。

2. QUAKE/W软件的特点:

² 随着连续迭代而不断改变土体特性参数的等效线性分析(阻尼系数和剪切模量随着连续迭代的循环应变而改变)。

² 通过数据指针函数来指定的材料参数,包括超载修正函数、剪应力修正、循环次数、孔隙水压力、阻尼系数、剪切模量的衰减等

² 导入地震记录数据,水平和垂直方向加速度随时间变化的记录都可以导入

² 测定导入的地震记录数据的特定区域的峰值加速度和持续时间。

² 边界条件类型包括X和Y方向的位移、体力、压力、跃阶常数、应力、流体压力、阻尼,以及模型的自重载荷

² 用于分析土体结构相互作用的结构单元,指定的轴向和弯曲刚度时可以影响系统的动力响应

² 节点历史可以显示位移、速度、加速度的所有值

² 多种方式查看结果:包括X-Y平面图形、等值线、变形网格、动画、光谱分析、数据表、莫尔圆等

² 查看静力状态、动力状态时的大多数结果参数,或者两种状态共存时的结果参数

² 查看位移、速度、加速度的相对值(有限元结果)或绝对值(加入地震记录数据后的结果)

3. 与其他软件的结合应用:

1) 将QUAKE/W软件的计算结果应用于SLOPE/W软件中的边坡稳定性分析:

地面结构由于地震载荷作用而产生的惯性力可能会影响结构的稳定性,这种震动也可能产生超孔隙水压力。QUAKE/W软件的计算出来的动应力分布状况和超孔隙水压力可以代人SLOPE/W软件中进行地震载荷作用下地面结构的稳定性和变形分析。SLOPE/W软件使用Newmark格式的变形分析方法来确定屈服加速度和估计土工结构的永久变形。

2) 在SEEP/W软件中计算QUAKE/W软件中的超孔隙水压力的消散:

在QUAKE/W软件中,地震过程中产生的超孔隙水压力可以代人SEEP/W软件中用于研究超孔隙水压力的消散时间。

五、TEMP/W

TEMP/W软件是一款采用有限元法来模拟由于环境的改变或建筑物、管道施工引起的地基内热量变化的有限元分析软件。TEMP/W软件内包含了全面的模拟公式,使用用户对简单或者复杂的地热问题都可以进行分析。TEMP/W软件可用于地下结构、土木工程等问题的设计和地热分析,也包括承受冻融变化的设备的设计。

TEMP/W软件内的模拟公式可以对地面温度变化情况进行分析,也能对水转成冰和冰转化成水的过程中释放或吸收的相变潜热问题进行计算分析。在TEMP/W软件中,在冰水互相转化过程中吸收或释放的相变潜热表示为未冻水含量的函数,由未冻水的含量进行控制。结构温度高于相变温度时,所有的水都是未冻水,当结构温度低于相变温度点事,部分水将发生冻结,为冻水含量减少。对为冻水含量在相变热函数中的灵活定义,使得TEMP/W软件可以对各种条件下的地下结构进行分析计算,也使得TEMP/W软件成为一种对各种不同的地面条件进行分析的强大软件。

TEMP/W软件可以对几乎所有的地热问题进行建模分析。这些问题包括:

² 发热建筑下或地下埋管发热引起的永久冻结带的退化;

² 冷藏管周围的霜凝结的发展;

² 地面冻结引起的土体稳定性问题,包括采矿钻杆周围的冻结管或地下水坝顶部的热电管的使用;

² 铁路和机场跑到下的冻融作用;

² 天然滑冰场和冬季路基等寒区结构内部的冻深渗透;

² 分析各种防止冻结或融化的隔温层的隔热效果;

TEMP/W软件的特点:

TEMP/W软件可以对稳态或瞬态的能量流动、截面或平面区域内的二维能量流动、三维轴对称能量流动等问题进行计算分析。这些问题具体包括:

² 边界条件类型包括温度和热流(定值或为时间的函数)边界、热虹边界、热对流面

边界,以及导入测量好的气象数据。

² 由未冻水含量作变量的相变潜热函数;

² 对每一种土质,冻结和未冻结时的体积热容、为冻水的体积含量都是不同的。

² 当节点温服的变化量高于指定的变化量时,自适应的时间步将会自动插入额外的时

间步来计算。

² 初始条件由先前的分析或节点温度常数得到。

² TEMP/W软件用高斯数值积分算法来求解单元特性矩阵,这种积分包括单元特性

在所选点上插值积分和整体积分。这样,在每一个插值点上都可以使用不同的材料

参数,材料参数在所有单元上都可以变化。

² 土体的导热性温度变化不同而变化,TEMP/W软件用一个广义的导热函数来进行

调节,这样就使得土体结构在由融化状态转变未冻结状态或由冻结状态转化到融

化状态时土体的导热性可以认为是一个平滑过渡阶段。

与其他软件的结构应用:

测量得到的气象数据可以从电子表格中拷贝到TEMP/W中,这些数据可以确定在地面上有没有积雪时的真实温度,TEMP/W能用降水数据来确定冬天的积雪深度,也能用能量平衡方法来计算积雪下的地面温度,也确定春天时积雪的融化量。

六、CTRAN/W(地下水污染物传输分析软件)

CTRAN/W软件是一款对污染物通过土层和岩石等渗流介质外界环境中的水体通过地面和地下水的非饱和区域进入地下水体的有限元分析软件。CTRAN/W软件内包括了全面的模型公式,用户不仅可以简单地对由于水的运动而引起的微粒运动轨迹进行分析,而且可以包括扩散、散射、吸附、辐射衰减和密度对流动的依赖性等复杂过程的问题进行分析。CTRAN/W软件可以应用于地质构造、采矿、水文地质学、农业等工程项目中。

CTRAN/W软件与SEEP/W软件相结合,具有与CAD一样的交互式界面,这两个软件一起使用,可以用来分析污染物的输运。SEEP/W软件计算水的流速、水体积含量和水流量,而CTRAN/W则用这些参数计算污染物的迁移。在密度对流动的依赖性方面,水的流速由溶解度控制,反过来水速也影响溶解的进行,故SEEP/W和CTRAN/W互相关联可以对密度对流动的依赖性进行分析。

1、典型应用

CTRAN/W软件可以对几乎所有的污染物扩散问题进行建模分析。这些问题具体包括:

² 污染物从积水池表面流动问题

² 烃类化合物的溶解

² 污染物的流动扩散

² 通过岩石裂缝的传播

² 海水冲入岸边蓄水池

² 盐水流动

² 垃圾掩埋过程中污染物的迁移

2、CTRAN/W软件的特点

² 流过饱水和非饱水系统时的稳态和瞬态水流动问题分析

² 随时间变化的水压力边界条件问题分析

² 各向异性和不同类型的地址条件

² 随时间变化的溶质浓度和质量流边界条件

² 水体积含量为变量的分子扩散系数函数问题

² 由污染物浓度、辐射衰减产生的质量损失、用户指定区域内的质量流动等觉得的吸附模量

² 仅由水平对流决定的个别为微粒流动轨迹显示

² 污染物密度与地下水密度不同时的密度依赖性分析

当污染物进入地面时,其中的溶解物会由于水的流动而发生迁移。此外,污染物也会由于水动力混合和分子扩散而发生消散。溶解物的迁移也会由于吸收和辐射衰减而减弱。平流弥散微分方程由多孔介质单元的质量平衡原理导出,这样导出的方程考虑了水平对流、扩散、吸收和衰减。

CTRAN/W软件使用吸收函数和计算出来的节点浓度来计算污染物的吸收,然后再计算液态相和固态相下的污染物数量。

CTRAN/W软件也可以通过由用户指定区域内的简单微粒运动来建模分析污染物的运动。对每个时间步,CTRAN/W软件让微粒移动一点距离,这个距离是由水的体积含量和SEEP/W软件中计算出来的水流速度决定。

与其他软件的结合应用

在CTRAN/W软件中调用SEEP/W计算出的污染物流动速度:

在污染物的运输的分析中,需要得出一个主要的数据就是水流,水的流速可以由SEEP/W软件中计算得出。只要流速知道了,就可以在CTRAN/W软件中对污染物的运输进行分析研究。

CTRAN/W软件和SEEP/W软件中一起对密度对水流的依赖性进行分析:

污染物的密度依赖于液体的流动,水流速度由溶质浓度决定,水流速度放过来也影响溶质的运动。水流速度从SEEP/W软件中迭代传递到CTRAN/W软件软件中,溶质浓度从CTRAN/W软件传递到SEEP/W软件中,这样就使得CTRAN/W软件和SEEP//W软件能够共同处理流体流动对污染物密度影响的问题。

七、AIR/W(空气流动分析软件)

AIR/W是一个适用分析类似岩石和土这样的多孔介质材料中地下水—空气相互作用的有限元软件。它全面面简洁的表达使用用户可以分析从简单的、饱和稳态问题到复杂的、饱和—非饱和时变问题。AIR/W被广泛应用于岩土工程、土木工程、地质学、采矿等多学科问题的分析和设计。

1、饱和非饱和流

AIR/W可以被应用于饱和—非饱和区域、这一特点也太大大扩展了它所能分析问题的范围。除了可以分析稳定流中空气含量固定的这类一般性问题,对于饱和—非饱和问题,AIR/W也能分析空气流动和渗透过程虽时间改变这类空气和水含量改变的问题。AIR/W和TEMP/W耦合,可以解决在冻融土中空气和水的流动问题,在这一过程中考虑了空气密度随温度而改变。

2、操作简便

AIR/W软件中独特的类似于CAD处理工艺,允许用户通过在屏幕上画计算区域来生成有限元网格。用户还可以交互式的输入边界条件和材料属性。用户甚至可以用简单的参数变量如颗粒尺寸、渗透系数、饱和含水率和入口空气值等来定义材料特性函数。如果出现了错误,也只需要用Undo命令来进行改正。

如果已经解算完了用户的渗透问题,AIR/W提供了很多方式来查看计算结果。AIR/W软件的后处理界面可以显示常用的等值线或任意时间步计算出的参数作坐标的平面图形,如水头、压力、基质吸力、梯度、速度和传导率。空气和水的速度向量显示了流动方向和流动速率,瞬变情形可以由随时间变化的水位线位置来显示,在交互式对话框中点击任意节点、单位的高斯区域、水量流出区可以查看各种计算参数。然后,用户可以把计算结果以助于Excel或者word文档等形式输出,以便进行进一步的分析和应用。

3、典型应用

AIR/W可以模拟几乎所有的地下水问题,包括:

² 土壤水蒸气预测系统

² 在隧道支撑和地下水流入过程控制的空气压力等问题

² 河岸水渗透影响下的空气压力变化问题

² 热量/密度随空气流动热传在冻结/融化土壤中(和TEMP/W耦合)

² 吸力现象

4、与其它软件的结合应用

AIR/W和SEEP/W软件同TEMP/W软件耦合可以模拟由于空气和水的流动而引起的热量的对流与传递问题。相反,在AIR/W中海考虑了温度对空气密度和压力的影响,因此,空气流动时在热传基础上的。AIR/W通过输入空气含量和垂直质量流量到TEMP/W,TEMP/W返回一个新的温度值到AIR/W。这个过程是在模型定义计算过程中自动完成的。

八、VADOSE/W(综合渗流蒸发区和土壤表层分析软件)

VADOSE/W软件是一款革命性的软件,可以模拟环境变化、蒸发、地表水、渗流及

地下水对某个区域的影响。VADOSE/W软件是一种分析外界环境中的水体通过地面和地下的非饱和土区域进入地下水体的有限元软件。VADOSE/W软件内包含了全面的模型公式,使用户可以对简单和复杂的环境状况和地下水渗流相结合的问题进行分析。比如,用户可以使用VADOSE/W软件对由于下雨而引起的地下水渗流问题进行简单的分析,也可以建立一种考虑了雪的融化、植物根部的蒸发、表面蒸发、流走、积聚、气体扩散等多种因素影响的非常复杂的模型来进行分析。VADOSE/W软件可以应用于岩土工程、采矿、水文地质学、工业和民用工程项目的设计和分析中。

对非饱和土力学性能的理解对于,分析边坡稳定性、设计矿床或城市废弃设施的覆盖土层、农业或灌溉项目中的地下水渗流等问题的研究都是非常重要的。地表的环境状况,如渗流、蒸发、蒸腾等对非饱和区域和渗流区域内的土体性质有很大影响,这已经日益引起人们的关注和认识。事实上,“非饱和土力学行为受地表的水流通量状况的影响,远大于受非饱和土区域厚度的影响。”因此,如何确定环境状况对非饱和土区域的影响,就需要用VADOSE/W软件来进行建模分析了。

1.典型应用:

VADOSE/W软件是一款革命性的软件,可以模拟环境变化、蒸发、地表水、渗流及地下水对某个区域的影响。应用VADOSE/W,可以对如下的二维热流边界条件问题进行分析:

² 对单一或多层土体覆盖下的矿床和城市废弃物设施进行设计和监控

² 在天然和人造边坡上用于稳定性分析的孔隙水压力分布状况,这样的孔隙水压力

是由气候变化引起的

² 由农业。灌溉项目或自然系统所决定的渗流、蒸发、蒸腾速度。

² 预测氧气或氡气在渗流区内的扩散和衰减问题

² 设计和检测矿山、城市废弃物的单层或多层土壤问题

² 自然斜坡、路堤中气候对孔隙水压分布的影响,藉此,进一步分析其稳定度的变

² 分析农业。灌溉项目中的蒸发、渗流及扩散相关的综合问题

² 预测氧气或氡气及污染物在渗流区的扩散问题

 

2.操作简便

在GeoStudio系列软件中,VADOSE/W软件业采用类似于CAD的交互式界面来建模。用户可以用简单的参数变量如颗粒尺寸、饱水传导性。饱水含量等来定义材料特性函数。如果出了错,用户可以用“Undo”命令来改正。VADOSE/W问题建立步骤:

1) 用鼠标或输入值来建立几何模型,产生有限元网格,再在模型表面加一个土层覆盖

并划分网格。

2) 指定模型的材料特性,从电子表格中直接粘入气象数据作为模型的边界条件,或者

从数据库中导入气象数据,用户也可以通过键盘敲入用户自己的数据。

3)将全部的气象数据应用于模型的边界条件,也可以将边界条件定义为时间的函数,

或者可以将温度、水头、压力、全部或部分水流通量、潜在渗流面等指定为确定的值。

4)VADOSE/W软件可以自动测试数据用于敏感性研究,或者生成用户指定区域的数据。

5)通过绘制一个水含量表或指定节点温度值来定义模型的初始条件,也可以将已经计

算完的数据导入,作为模型的初始条件。

3.全面的结果显示:

1)查看结果:

如果已经解算完用户的蒸发量问题,VADOSE/W软件提供多种方式来查看计算结果。VADOSE/W软件的后处理界面可以显示常用的等值线、或由任意时间步计算出的参数作坐标的平面图形。速度向量可以显示;流动方向和流动速率,瞬态情形可以由随时间变化的水位线位置来显示。在交互式对话框中点击任意节点、单元的高斯区域、水量流出区可以查看各种计算参数。然后,用户可以吧计算结果以诸如Excel或Word文档等形式输出,以便于进行进一步的分析和应用。

2)计算参数:

² 对一个蒸发量问题进行分析师,VADOSE/W软件可以计算出的参数有:降雨量和渗透量,

积雪和融化,植物的蒸腾,地面冻融,潜在的和实际的蒸发量,地表渗流、径流和蓄水,

表面渗流(流走的和流入的),地下水的回流。

² 特定的计算参数有:温度、总水头、压力、压力水头、边界流量、液体速度、气体速度、含冰量、含水量、气体压力、导水率、气体浓度或流量。

² 土表面的结果参数包括(每一时间间隔或从第一天以后的累积):降水量、总辐射、潜

在蒸发量、实际蒸发量、流出量、流入量、积雪深度、实际蒸发量。

² 水平衡的结果参数包括:降水量、流出量、边界流量、蒸发量、存储量、水平衡、植物蒸腾。

² 覆盖土层内相互作用的结果参数包括:液体流动体积、气体流动体积、流过覆盖层的总体积、流过覆盖层的气体总质量。

4.VADOSE/W软件的特点:

² 基于覆盖土层厚度和土质特性参数的生成土体单元网格;

² 复杂土层覆盖的地质岩层建模分析;

² 在求解时使用自适应时间步长来保证计算的收敛和每个天然气象数据的边界条件;

² 基于颗粒尺寸和其他土质输入函数,估计土体的特性参数

² 使用随时更新的全球气象数据库资料或加入某一特定区域的气象数据;

² 可以指定总太阳辐射或潜在水汽蒸发作为气象数据,或让VADOSE/W软件自己估计能量成分;

² 提供与DXF、WMF、EMF或BMP格式文件的接口,并可以将计算结果以这些文件格式输出;

² 在不同文件和窗口之间剪切、粘贴数据

² 计算边界面上的流量:对渗流区域进行建模分析的关键问题是预测准确的面边界条件。

VADOSE/W软件通过地热、溶质和蒸气流动与实测气象数据相结合的方法来计算边界面上

的流量。

² VADOSE/W软件的突出特点就是对真实的水汽蒸发问题进行预报,把土中水的应力状态作为水汽蒸发函数的变量进行计算,而不是简单地用土中水含量、蒸发时间作为水汽蒸发函数的变量或用户自己根据经验得出的公式来处理。VADOSE/W软件用严格的Penman-Wilson方法来计算真实的水汽蒸发,Penman-Wilson方法把土中水压力和应力分布作为蒸发函数来进行处理。这仅限于对二维问题做相当近似的模拟计算,VADOSE/W软件把流行的SoilCover程序基础上拓展为能够处理二维问题。

² 真实的和隐藏的蒸发:只有当土体饱和时实际的蒸发和隐藏的蒸发才能相等,如果地表土体不饱和时,真实的蒸发率远小于隐藏的蒸发率。

² 气体运输:VADOSE/W软件 包含的公式软件可以对氧气和氡气的瞬时二维扩散、可溶性和衰减问题进行分析,氧气和氡气的这些行为可以改变地基中的热合水汽状况。气体输运可以与热合质量输运一起进行求解分析,根据预先设定和用户自己输入的浓度边界条件,VADOSE/W软件可以确定地基中的气体浓度和质量的流入流出。

5.与其它软件的结合应用:

将VADOSE/W软件计算出的孔隙水压力应用于SLOPE/W软件中用有限元法计算孔隙水出的压力,可以用于稳定性分析中队蒸发量效果的建模分析。比如,在稳定性问题分析中,用户可以对由于水汽蒸发引起的孔隙水压力随时间的变化进行分析。用户也可以在CTRAN/W软件中调用VADOSE/W软件计算出的数据来分析污染物的输运问题。

Seep3D(三维渗流分析软件)

Seep3D软件将强大的交互式三维设计引入饱和、非饱和地下水建模分析中,是用户可以迅速分析各种各样的地下水渗流工程问题。

使用Seep3D的交互式建模方法,用户可以迅速建立几何分析模型,定义好几何模型的材

料特性和边界条件后,用户就可以进行求解运算,最后在三维界面内用户就可以查看诸如等

值面和流线等结果了。对计算模型进行局部剖分,利用三维数据输出工具即可对任意的计算

值进行快速而精确的分析。

使用Seep3D软件,用户可以把户所分析的地下水流动问题扩展到包括如水库、水坝、

流动堵塞等特殊结构模型、排水沟或井下渗流,坡面和坡底相关的流动,以及耗散障碍系统

中的渗流和流动。并且,以上所提到的这些问题,都可以在一个模型中进行统一分析。

几何模型上的材料特性和边界条件可以分别定义。这样,如果用户从整个模型中删掉

一些区域后,整个模型的材料特性和边界条件信息仍然适用。如果用户要在模型内加入一种

新的边界条件并将它应用于模型内的部分区域,用户只需把相关信息加入一次即可生效,这

样可以减少犯错。用户也可以通过定义一种材料的特性而改变整个模型的材料特性,新定义

的材料特性值可以用于整个模型内所有用到这种材料的地方。

只要用户建立起几何模型并加入相关的材料特性和边界条件,就已经做好了适用

Seep3D中的模型算法库进行分析的前期准备工作。Seep3D内部包含了支持线性、非线性、

稳态、瞬态、自适应分析的算法求解器。

用户可以迅速地从众多的3D分析结果数据中找到用户所需要的结果。例如,用户可以

对模型进行分割而产生“结果平面”,从而显示等值面。流速向量、流线等,得到所需要的

各种数据。用户可以利用模型表面的所有参数作为坐标变量,在x-y坐标平面内作图,也可

以将相关数据拷贝到Excel文件中进行进一步的分析。

Seep3D的交互式直观模型界面使用户快速进入各种命令格式。在3D对话框或树形对

话框中,用户只需点击相关对话框,即可改变它的特性或执行相关命令。在交互式3D对话

窗口中,用户可以对用户的模型进行缩放、平面处理和翻转等操作,也可以显示多重3D视

窗。当在一个窗口内改变模型时,其他窗口内业发生相应的改变。

Seep3D尤其适用于所有包含三维流动的工程问题的建模分析。一个典型的应用例子就

是蓄水坝下游的脱水井或小型排水沟问题中的三维流动。这种问题实际上是不能用二维模型

来分析的,这就是需要进行真正的三维模型分析。另外一个典型的工程实例就是对流入方形

基坑中的水流分析。

Seep3D不能对大型区域内的地下水系统进行建模,特别是地层中的岩层组成很复杂时

也不能使用Seep3D进行分析。然而,对与所有工程结构相关的真实三维渗流问题,Seep3DS

是一种非常理想的分析工具。

GEO-SLPPE公司从1977年发展至今,已成为全球最大的岩土软件开发公司之一,用

户覆盖全球100多个国家。中仿科技公司是GEO-SLPOE公司中国地区指定代理商,希望

GEO-SLOPE系统软件能给您的工作带来帮助。

GeoStudio 软件可以对几乎所有的岩土工程以及环境岩土工程问题进行建模分析,自中仿科技2003引入到中国区以来在国内的多大设计院、高校应用非常广泛:

Ø 边坡稳定及支护,包括土和岩石边坡、边坡开挖、堤防、锚杆、锚索、衬砌、土钉和土工布。

Ø 极限平衡法、极限平衡结合有限元以及有限元强度折减法分析边坡安全系数。

Ø 有限元稳态/瞬态渗流分析,包括基坑排水、止水帷幕;大坝渗流、渗透力、渗透破坏、截面流量、土工膜、减压井;引水渠、渗露水量、排水沟、注水井对渗流的影响等。

Ø 瞬态降雨、大坝蓄水、水位骤降等情况下的渗流分析,同时考虑这些工况下的稳定性问题。

Ø 分步加载、开挖、回填引起的变形,支护设计,桩、锚杆、挡土墙等支护体系评价,考虑结构-土相互作用,变形量计算,施工步设计等。

Ø 地基处理,排水固结法回固软弱地基,固结度计算,沉降量控制,排水板设置,考虑不同工况下的地基变形及破坏分析。

Ø 地震引起的变形、超孔隙水压力的产生与消散,地震过程中土体液化分析,地震过程中结构稳定性分析,地震永久变形分析。

Ø 城市垃圾填埋场、尾矿在降雨和地下水渗流下对周围环境影响、沿海地带土地盐碱化、化学农药迁移等污染物运移问题。

Ø 冻结法施工、地源热泵热传导和瞬态冻融问题

Ø 非饱和土力学特性

Ø 地面环境(温度、植被、降水等)对地下水渗流的影响

Ø 其它…

GeoStudio软件特点:

1、多软件集成分析功能

GeoStudio的一个突出优点就是它的所有软件都可以在同一界面下运行,这就意味着用户只需建一个几何模型,就可以在所有分析中使用,从而可以同时对综合的岩土工程问题如渗流、稳定、应力变形、动力效应、水气两相流动以及污染物运移等进行分析。

例如下图所示的大坝分析模型,首先用SEEP/W对大坝做稳态渗流分析,然后用QUAKE/W进行地震前的初始应力分析,接着用SLOPE/W对地震前的大坝进行稳定性分析,随之进行QUAKE/W的动力计算,然后用SLOPE/W分析震后的大坝稳定性,最后用SIGMA/W分析震后变形。

在GeoStudio软件中,所有的数据都储存在已经定义好的相同格式的文件中,共享的分析数据可以对同一个问题进行不同要求的多种结果分析。

2、高效的建模功能

GeoStudio的项目管理方式允许用户快速创建分析文档,方便进行多工况比选以及耦合分析。

文档“复制”功能可以非常方便地创建新的分析工况,模型的边界条件和材料特性都能自动保存下来,只需对其稍作修改就转变为新的分析模型。

创建不同软件之间的耦合分析时,软件会自动调用上级目录的分析结果,从而实现渗流与稳定的耦合以及变形与稳定的耦合、复杂的瞬态渗流与稳定的耦合分析等,在一个模型文件中即可完成全部工况的分析。

3、易学易用

友好的软件界面、简单清晰的建模步骤和参数设定,使得软件易学易用,高效建模,节省分析时间。数值分析建模要素包括:几何模型建立、材料属性定义、网格和边界条件设定、载荷工况变更等,这在GeoStudio软件中通过简单的几步就可实现,节省用户软件使用学习的时间,使用户专注于工程问题本身的思考。

4、丰富多样的后处理显示便于结果输出与整理

将计算结果绘制成图形时,用户可以决定把哪几个变量放在同一张图中。比如,可以沿滑移面把总应力和有效正应力同时显示出来。用户还可以绘制很多图形并把它们保存为一个数据文件,这样只要打开数据文件,就可以立刻得到图形。

Ø 一键生成计算报告

Ø 动画输出瞬态的计算结果

Ø 多个计算结果绘图

Ø 多种云图、等值线显示

Ø 矢量图、变形网格

5、求解效率高

在开始求解之前,软件自动检查每一个分析,发现错误则立即报告提醒。在求解过程中,用户可以查看每一个分析中解的状态,检查每一个分析的进度,并可以随时中断求解过程。求解过程中遇到错误时,软件也会自动跳出窗口显示错误信息。

可以充分利用多核CPU进行计算,这项技术将求解速度大大提高,特别是在进行概率分析和Newmark分析时速度提升尤其明显。

6、边界条件与材料属性不与网格关联

用户可以在求解区域上定义模型的边界条件和材料属性,而不是在有限元网格上定义。这使得用户可以随意修改几何模型而不必担心先前定义的模型属性丢失。例如,如果增加土层厚度,模型的边界条件也会随着土层厚度的改变而移动,同时,新的有限元网格也会自动生成。

7、概率与灵敏度分析

SLOPE/W包含一个广泛通用的运算法则用以进行概率分析。几乎所有的输入变量都能被指定一种概率分布,然后利用Monte Carlo方法计算出安全系数的概率分布。一旦知道了安全系数的概率分布,其它需要定量描述的变量譬如失效概率就能够被确定。利用均匀分布,SLOPE/W的概率分析方法还能够用于敏感性分析。

8、命令行式操作批处理多个项目

GeoCmd是GeoStudio软件中新增的命令行工具,它让用户在处理大量文件时变得更加简便。用户可以使用GeoCmd来控制GeoStudio自动按照指定次序对多个项目进行求解、更新和生成报告。

9、多种二次开发功能

软件支持FORTRAN、C、C++、VB等多种语言做二次开发,还可以通过自定义函数的形式来定义材料属性或者边界条件,甚至这些函数可以与Excel 表格或“.NET”程序链接在一起使用。

文本框:

10、丰富的参考模型

软件带有200多个工程实例,对每一个实例,模型背景、建模目的、在 GeoStudio 软件中如何应用相关功能以及结果的解释都进行了详细的说明。

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