Soil Plus 大規模解析機能活用事例紹介資料

Soil Plus大規模解析機能活用事例紹介資料

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Soil Plus大規模解析オプション

施工段階解析

施工段階解析（線形弾性、弾塑性、非線形弾性）

物性変更機能

No-Tension解析

大規模オプションで可能な解析

静的線形解析

動的解析（線形、非線形）

時間領域（直接積分法）

周波数領域（複素応答法、周波数応答法）

PushOver解析

NewNew

NewNew NewNew

ソルバー信頼性はそのままに、32bitソルバーと同等の解析機能を整備

大規模オプションの特徴

モデル規模の制限がない

１００万自由度以上の解析も可能

並列計算が可能

解析時間効率が向上

64ビットOS上で稼働


自由地盤

～上部構造物の応答解析～

地盤（FEM）+骨組みモデル格子モデルペンツェンモデルSRモデル

マシン性能の向上により解析規模に制限がなくなりつつある。３次元構造物＋地盤一体モデルでの解析が可能となり、より詳細な解析を行える。

３次元FEM解析、大規模解析の需要も増加傾向にある。

一体型モデル：地盤FEM+構造物FEM


構造・地盤・液体連成モデルの紹介

>ダムの耐震解析事例

施工段階の対応

>不整形地盤のトンネル掘削の解析事例

地質モデルからFEM解析モデルの構築

>立体交差モデルの解析事例

ダム耐震解析

トンネル掘削解析

立体交差解析

トンネル施工解析事例

>施工段階解析、浸透流解析

地盤開削検討解析事例

> 施工段階解析、浸透流解析トンネル施工解析

地盤開削検討解析

～大規模解析サンプル事例～


解析事例１：ダム耐震解析

＋固有値解析＋初期応力解析＋地震応答解析


下流側

上流側

貯水池

ダム本体

672

965

276

単位：m

■解析モデル

・ダム：重力式コンクリート

・基盤：弾性

・貯水池：非圧縮非粘性（自由表面あり）

・荷重：自重、静水圧、地震力

・使用要素：ソリッド要素、液体要素、自由表面要素

・モデル規模：節点数（164,613）、要素数(163,586)

検討内容

264

122.8

Z

Y

Z

X

Z

Y

X


●検討対象のモデル化

２次元断面解析３次元解析（分離型モデル）３次元解析（一体型モデル）

断面を切出して解析

広域結果を詳細モデルへ適用しゲートの断面力を照査する

広域モデル

詳細モデル

一体解析では相互作用を考慮可能

2次元から一体型モデルまで可能例題は一体型モデルを採用する

モデリングについて

ゲート位置で水圧を算出

水圧を外力として詳細モデルへ入力する


■基盤：ソリッド要素

モデリング～ダム、基盤～

下流側

上流側

■ダム：ソリッド要素、ゲート：シェル要素

地層の不整形を考慮するためには3次元解析が必要

付帯施設はゲート、呑口部、吐口部までをモデル化した。エレベータ、取水塔は影響が小さいと判断しモデル化せず。


■基盤：ソリッド要素

モデリング～貯水池～

満水時

中間水位

最低水位

水位は3種類検討する。・満水時：ダムの許容最高水位・中間水位：満水位と最低水位の平均・最低水位：貯水最低水位

水位状態によりダムの安定性は変化する。・満水時：貯水池からの圧力の影響が大きい・最低水位：重力式ダムの為、常時水圧による釣り

合い状態が崩れる可能性がある。


■1次モード

・振動数：5.42Hz

・周波数：0.18sec

固有値解析結果

■2次モード

・振動数：7.59Hz

・周波数：0.13sec

下流側

上流側

上流側

下流側

固有値結果からレーリー減衰定数を決定した。


■施工手順

施工段階解析

鳥瞰図（下流側）

■鉛直応力結果：満水時

最小値：-7923.3kN/m2

最大値：-1642.7kN/m2引張応力の発生を防ぐため施工段階を考慮

各貯水状態（満水、中間、最低）で静水圧を考慮初期応力で鉛直方向の引張応力は発生しなかった。


■鉛直応力結果

地震応答解析①

満水時

中間水位

最低水位

最大値：-0.127kN/m2

最小値：-9688.0kN/m2


最小値：-9800.8kN/m2


最小値：-9835.1kN/m2地震応答解析で鉛直方向の引張応力は発生しなかった。


-4

-2

0

2

4

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

加速度(m/s2)

-4

-2

0

2

4

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

加速度(m/s2)

-4

-2

0

2

4

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

加速度(m/s2)

-4

-2

0

2

4

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

加速度(m/s2)

-4

-2

0

2

4

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

加速度(m/s2)

-4

-2

0

2

4

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

加速度(m/s2)

-4

-2

0

2

4

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

加速度(m/s2)

-4

-2

0

2

4

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

加速度(m/s2)

-4

-2

0

2

4

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

加速度(m/s2)

■加速度時刻歴：満水時

地震応答解析②

加速度倍率はダム底部から頂部間で1.1～1.3


-100

-50

0

50

100

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

圧力(kN)

-100

-50

0

50

100

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

圧力(kN)

-100

-50

0

50

100

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

圧力(kN)

-100

-50

0

50

100

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

圧力(kN)

-100

-50

0

50

100

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

圧力(kN)

-100

-50

0

50

100

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

圧力(kN)

-100

-50

0

50

100

0 5 10 15 20 25 30時間(sec)

圧力(kN)

■水圧時刻歴

地震応答解析③

・一体型モデル一体型モデルのゲート断面力結果を利用して照査を行う。・分離型モデル水圧結果を外力として、詳細モデルに適用する。詳細モデルのゲート断面力を利用して照査を行う。


解析事例２：不整形地盤施工段階解析

＋応力変形解析＋浸透流解析


200

100

単位：m

検討内容

■解析モデル

・構造物：扁平大断面トンネル（側壁導抗あり）

・地層：基盤を含め3層（第1層は軟弱）

・荷重：自重、掘削解放力

・解析種別：弾性解析、浸透流解析

・使用要素：ソリッド要素、シェル要素

・施工ステージ：自重、掘削、要素追加計19段階

・モデル規模：節点数（209,597）、要素数(240,222)

・モデル寸法：200×100×55（単位：m）

地質：第1層（軟弱層）

■モデル構成

地質：第2層

施工最終段階：モデル内部

トンネル・地層交差部はオートメッシュによる4面体。周辺地層は押出しによる6面体。

55

掘削開始位置から90mで地層境界と交差する

軟弱層貫入時の沈下量、掘進方向の湧水量に着目


-1.2E-02

-1.0E-02

-8.0E-03

-6.0E-03

-4.0E-03

-2.0E-03

0.0E+00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

step

沈下量(m)

トンネル屈進方向

■施工手順

着目節点

■着目節点（変形、圧力水頭)

■鉛直変位コンター図（着目断面）

■着目節点のステップ変位

解析結果～応力変形解析～

変位

圧力水頭

着目断面

着目断面掘削ステップ

地層交差部上の節点に着目した。着目断面掘削時までに最大変位の80%程度に達している。

着目断面掘削前の影響は小さい


-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

0 5 10 15 20掘削ステップ

圧力水頭 (m)

経過日数

解析結果～浸透流解析～

■初期水頭 ■浸出流量

トンネル頂部上方2m位置に地下水面を設定した。

■圧力水頭(P=0) ■圧力水頭の変移

トンネル掘削に伴い周囲の水圧が低下する。施工終了区間では徐々に水頭が回復する。

トンネル施工期間掘進0m地点

掘進200m地点


解析事例３：立体交差施工段階解析

＋立体交差時の解析要点＋解析結果


240180

単位：m

検討内容

■解析モデル

・道路：アンダーパス

・地表/地質：GEORAMAによる推定



・施工ステージ：自重、掘削、要素追加計７段階

・モデル規模：節点数（117,066）、要素数(111,662)

・モデル寸法：240×180×55（単位：m）

地質：第3層

■モデル構成

地質：第2層

施工最終段階施工最終段階：モデル内部

メッシュセットは施工ステージの定義を優先した。また内部結果を確認することを意識して設定した。


GEORAMA

2D要素押出し

回転

・不足箇所に2D要素を作成

・分離、回転してカーブを作成

モデリングについて

・GEORAMAにより地表面を推定

2D要素作成

押出し

丘部作成

地盤部丘部結合

■検討対象のモデル化


施工ステージ

Stage1:自重 Stage2:縦抗掘削１ Stage3:縦抗掘削2

Stage4:トンネル構造物追加 Stage5:トンネル部地盤掘削 Stage6:アプローチ部掘削1

Stage7:アプローチ部掘削2

・地盤は３層で構成され、表面は沖積層、深部は洪積層を想定して物性値を設定した。・施工ステージは実際の施工を模擬し、縦坑１、縦坑２掘削後、トンネル部の構造物を追加、後に内部を掘削し、両側の斜路（アプローチ部）を掘削する。

■施工手順


0.080

0.0640.0560.0480.0400.0320.0240.0160.0080.000

0.072

解析結果

・地表面変位鳥瞰図の変位コンターからは施工ステージ進行に伴う変位分布の変化が読み取れる。・モデル内部変位メッシュセットの非表示機能を用いた。モデル内部の変位コンターからは三次元的な変位の広がりが把握できる。

■地表面変位 ■モデル内部変位

■構造物断面力（曲げモーメント）

0.080

0.0640.0560.0480.0400.0320.0240.0160.0080.000

0.072

800.0

480.0320.0160.0

0.0-160.0-320.0-480.0-640.0-800.0

640.0


解析事例４：トンネル施工解析例題

＋施工段階解析＋浸透流解析


■解析モデル

・地盤、既存トンネル、追加トンネル


・節点数：約64000節点

・要素数：約340000要素

275

単位：m

施工段階解析～解析概要～

既存トンネル■諸元トンネル掘削

既存トンネルへの影響に着目

ポアソン比ヤング率単位体積重量板厚ν E (kN/m

2) γ (kN/m

3) (m)

地盤1 0.30 80000.0 16.0 -地盤2 0.30 200000.0 18.0 -地盤3 0.30 500000.0 19.0 -支保 0.20 25000000.0 24.5 0.40

解析事例１：トンネル施工解析例題

地盤1

地盤2

地盤3

275■解析概要

・トンネル追加施工時の既存トンネルへの影響を解析

・施工ステージ：初期応力解析＋施工段階解析（全31ステージ）

・解析手法：静的解析、マルチフロンタル法


・境界条件：底面固定、側面面外拘束


解析事例１：トンネル施工解析例題施工段階解析～モデリング～

■検討対象のモデル化

追加トンネル

モデル範囲

地層サーフェス

既存トンネル

掘削位置サーフェス

掘削位置分割

オートメッシュ

ソリッド埋込


施工段階解析～施工ステージ～

初期応力解析

■施工ステージ掘削‐要素削除支保‐板要素追加

・初期応力解析を行い初期の応力状態を再現・掘削→支保工追加



既存トンネル天端位置における沈下量

-0.05

-0.045

-0.04

-0.035

-0.03

-0.025

-0.02

-0.015

-0.01

-0.005

0

0 5 10 15 20 25 30掘削ステージ

鉛直変位 (m)

施工段階解析～解析結果～

■変位結果

○結果の抽出機能で既存トンネルの変位の推移を抽出すると初期にトンネル掘削の影響が大きく、掘削が進むごとに収束する傾向にあることがわかる。

○メッシュセットの単独表示機能を使用し既存トンネルに着目すると、交差部において影響が最大となることがわかる。

地表面既存トンネル

＊結果の抽出機能着目点（要素）の結果をステップごとに抽出する。

ステージ9

ステージ１7

ステージ２５


変位コンター図


浸透流解析～解析概要～

■解析モデル

・地盤、既存トンネル、追加トンネル

・使用要素：ソリッド要素



■解析概要

・トンネル追加施工時における周辺地盤の地下水への影響を解析

・施工ステージ：初期定常解析＋段階施工解析

・解析手法：浸透流解析

■諸元

トンネル掘削

■境界条件

水頭固定境界：上流側 74 m （全水頭）

下流側 47 m （全水頭）


透水係数有効間隙率比貯留係数k (m/day) ne Ss

地盤1 8.64 0.3 0.0001地盤2 0.864 0.2 0.00001地盤3 0.0864 0.1 0


浸透流解析～施工ステージ～

■施工ステージ

■不飽和特性上部地盤

＊浸出点条件は要素の抽出機能によりトンネル要素周面に作成した２D要素に設定する。

最終定常解析

下部地盤


浸出点条件

ステージ２１段階目掘削（掘削面は浸出点）

ステージ３支保（浸出点削除）

ステージ４２段階目掘削（掘削面は浸出点）

ステージ１初期定常解析

ステージ５支保（浸出点削除）


浸透流解析～解析結果～

■圧力水頭の変化

初期ステージ３ステージ７ステージ１１ステージ１５

トンネル天端位置における圧力水頭コンター図

地表面における水頭変化

○掘削により一時的に水頭の低下が見られるが施工後は回復傾向にある。

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2 4 6 8 10 12 14施工ステージ

圧力水頭　(m)



～ちょっと休憩（１）～

■要素の抽出機能：フリーエッジ、フリーフェイスから1D,2D要素を作成する機能

抽出した2D要素を解析に使用したり、節点に境界条件を設定するのに活用できる。

選択した節点と基準要素から要素を抽出する


解析事例５：地盤開削検討解析

＋施工段階解析＋浸透流解析


単位：m

施工段階解析～解析概要～

■解析モデル

・地盤、山留め壁、切梁、腹起し

・使用要素：ソリッド要素、シェル要素、ロッド要素



■解析概要

・地盤開削時における周辺地盤への影響解析

・施工ステージ：初期応力解析＋段階施工解析（全6ステージ）

・解析手法：静的解析

・荷重：自重、掘削開放力

・境界条件：底面固定、側面面外拘束、地盤改良領域の物性変更

■諸元

地層1

地層2

地層3

開削領域

地層4

解析事例２：地盤開削検討解析

130

200

ポアソン比ヤング率単位体積重量板厚ν E (kn/m2) γ (kN/m3) t (m)

地層1 0.30 30000 18.5 -地層2 0.40 10000 15.0 -地層3 0.40 20000 17.0 -地層4 0.30 100000 19.0 -地盤改良 0.30 300000 18.0 -山留め壁 0.30 210000000 78.5 0.1


施工段階解析～施工ステージ～

初期応力解析

山留め壁

地盤改良領域

1 ２３

４５６

７８

山留め壁打設地盤改良

１次掘削切梁、腹起し打設２次掘削

切梁、腹起し打設３次掘削



施工段階解析～解析結果～解析事例２：地盤開削検討解析

鉛直変位コンター図（最終ステップ）

地盤改良を行わない場合地盤改良を行った場合

約10.2cm 約3.4cm

掘削領域断面における全体変位コンター図＋変形図（最終ステップ、変形倍率：実際寸法10倍）


地盤改良を行うことで掘削底面の隆起を抑え、周辺地盤への影響も低減する効果がある。


浸透流解析～解析概要～

■解析モデル

・地盤

・使用要素：ソリッド要素



■解析概要

・地盤開削工事による周辺地盤の地下水への影響

および地盤改良の効果を確認

・施工ステージ：初期定常解析＋段階施工解析

・解析手法：浸透流解析

■諸元

■境界条件

水頭固定境界：上流側 -1.5m（全水頭）

下流側 -2.0m（全水頭）

物性値別図（切取り図）

地層1

地層2

地層3

地層4

掘削領域1

掘削領域2

掘削領域3 地盤改良領域

掘削領域（切取り図）

上流

下流


透水係数有効間隙率比貯留係数k (m/hour) ne Ss

地層1 0.360 0.30 0.00001地層2 0.036 0.20 0.00001地層3 0.180 0.25 0.00001地層4 0.360 0.20 0.00000地盤改良 0.001 0.10 0.00000


浸透流解析～施工ステージ～

初期定常解析1 土留め壁打設２

土留め壁位置の要素を削除し、不透水境界とする。

一次掘削３二次掘削４三次掘削５

掘削面は浸出点となるように境界条件を設定。



-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

時間 (Hour)

圧力水頭 (m)

地盤改良あり

地盤改良なし

浸透流解析～解析結果①～

水頭コンター図

下流側の地表位置における圧力水頭の経時変化

地盤改良を行った場合

○施工前に地盤改良を行い透水係数を下げておくことで、周辺地盤の水頭低下を抑制出来る。

約4.0mの水頭低下が見られる。


地盤改良を行わない場合


浸透流解析～解析結果②～

流速コンター＋ベクトル図（Time:48Hour）


地盤改良を行うことで下流側からの掘削領域への流入を抑制する効果がある。


上流側下流側上流側下流側

浸透力を考慮した応力解析を行うことでより詳細な検討を行う。

浸透力図

Documents

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