隧道全断面和三台阶对比.docx
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工程计算实践
学号:
姓名:
导师:
西南交通大学
2017年6月
目录
1、选题背景 3
2、概述 3
2.1有限元法概述 3
2.2有限元软件 4
3、本构关系和力学参数概述 5
3.1本构模型 5
3.2基本假设和力学参数 8
4、工程资料以及相关参数的确定 9
4.1工程概况 9
4.2计算说明 10
5、隧道开挖数值计算 11
5.1计算模型 11
5.2计算参数 15
6、数值模拟计算结果 17
6.1全断面法和三台阶法的位移云图对比分析 17
6.2全断面法和三台阶法特定监测点的位移对比分析 19
7小结 24
附录一全断面模型ANSYS建模命令流 25
附录二全断面法FLAC3D计算命令流 31
附录三三台阶模型ANSYS建模命令流 34
附录四三台阶法FLAC3D计算命令流 43
新奥法中的全断面法和三台阶法对围岩变形影响对比
1、选题背景
我国是一个多山岭的国家,山丘地区面积占全国面积的四分之三。
随着经济的发展,交通基础设施建设逐步加快。
特别是近年来西部大开发战略的实施和四纵四横高铁的建设,将隧道建设推向了新的高峰,因此隧道在未来几年内将不断增多。
到08年底我国隧道总数己达五千多座,总里程三百多万米,是世界上隧道最多的国家之一。
目前,新奥法在我国的铁路隧道设计和施工中占据主要地位,尤其是长大铁路隧道。
新奥法的特点是把设计、施工与监测二者结合为一体,通过施工过程中的监控量测来动态调整设计、施工参数。
对于深埋长大隧道的而言,监控量测具有重大的经济意义和实际应用价值。
因为科学合理的监控量测工作可以迅速、准确的获取第一手现场数据。
工程师们可以根据这些数据指导施工。
然而,对于长大隧道而言,由于其长度长、地质条件复杂,开挖和支护交错进行,围岩应力变化和支护荷载转换变得较为复杂。
在此背景下,基于一定数学模型的数值模拟技术,以其独特的优点广泛应用于此类工程中。
我国隧道建设起步较晚,虽然在设计理论和修建技术方面取得了一定的成果,但大量工程实际表明,我国公路隧道建设中还存在很多安全隐患,一些工程技术问题仍有待进一步研究。
本文将以葫芦山隧道为背景,通过对实际监控量测数据的分析和数值模拟分析,研究长大山岭隧道的围岩变形及其稳定性的特点。
2、概述
2.1有限元法概述
伴随着隧道及地下工程的高速发展,出现了越来越多的新问题,传统的研究方法和研究理论已经无法对这些复杂的情况进行分析求解,因此有限元法的数值模拟应运而生。
有限元法以离散为基本思想,在求解诸如弹塑性问题和流变等问题中,以及应力场位移场的藕合问题中都得到广泛的应用。
有限元法在分析地下工程的变形问题时能考虑支护结构与岩体的共同作用,对于研究围岩稳定性具有实际意义。
有限元法的基本思想是将结构物看成有限个单元组成的整体.以单元节点的位移或者应力作为基本未知量求解。
按照选取基本未知量的不同,可分为位移法、力法和混合法。
位移法的基本来知量为节点位移,力法的基本未知量为节点力,混台法选取一部分节点位移和节点力为基本未知量。
在隧道与地下工程中,最常采用的有限单元法包括:
线单元、面单元和体单元三种类型。
二节点线单元和在此基础上发展得到的面单元和体单元均属于线形单元。
三节点、多节点线单元和在此基础上发展得到的面单元和体单元均为高阶单元。
为了将结构离散化,往往采用各种类型单元的组合,如节点杆单元用来模拟锚杆,节点梁单元用来模拟喷射混凝土层,备种线单元和体单元分别用来做二维和三维分析。
现在比较常用的有限元分析软件有ANSYS、ABAQUS、FLAC、ADINA、MIDAS/GTS。
2.2有限元软件
本文采用FLAC有限元分析软件,对葫芦山隧道进行模拟分析。
FLAC3D(Three
DimensionalFastLagrangianAnalysisofContinua)是美国ItascaConsultingGouplnc开发的三维快速拉格朗日分析程序,该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为,特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。
能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。
调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。
单元材料可采用线性或非线性本构模型,在外力作用下,当材料发生屈服流动后,网格能够相应发生变形和移动(大变形模式)。
FLAC3D是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法,它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。
三维快速拉格朗日分析将计算区域划分为若干四面体单元,每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系,如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动,则单元网格可以随着材料的变形而变形,这就是拉格朗日算法,这种算法非常适合于模拟大变形问题。
由于无须形成刚度矩阵,因此,基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。
FLAC3D在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点,具体有三点:
(1)对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”。
这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。
(2)即使模拟的系统是静态的,仍采用了动态运动方程,这使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。
(3)采用了一个“显式解”方案。
因此,显式解方案对非线性的应力一应变关系的求解所花费的时间,几互与线性本构关系相同,而隐式求解方案将会花费较长的时间求解非线性问题。
面且,它没有必要存储刚度矩阵,这就意味着,采用中等容量的内存可以求解多单元结构;模拟大变形问题几互并不比小变形问题多消耗更多的计算时间,因为没有任何刚度矩阵要被修改。
3、本构关系和力学参数概述
3.1本构模型
本文选用的计算模型为Mohr-Coulomb模型。
摩尔一库伦模型是弹塑性模型的一种,它假设岩土体应力达到屈服之前是线弹性应力应变关系,一旦发生屈服,便呈理想塑性。
这个模型一直以来用于分析隧道及地下工程中的问题。
摩尔一库伦模型采用的破坏准则是摩尔库伦准则和最大拉应力准则。
三个主力的大小关系为:
σ1<σ2<σ3。
其破坏准则在(σ1σ3)坐标系中表示如下:
图3-1莫尔库伦破坏准则
破坏包线,在A至B之间的摩尔库伦准则定义为:
(3-1)
B至C间的摩尔库伦准则定义为:
(3-2)
式中为摩擦角,c为粘聚力,为抗拉强度
(3-3)
摩尔库伦模型的屈服准则可用来判断塑性材料被施加应力增量后是加载,是卸载,还是中性变载,亦即是否发生塑性变形的准则,加载时弹性变形和塑性变形都会产生;卸载时仅产生。
在下图中,对于A点来说,加载时dq>0,同时产生和;卸载时dq<0,仅产生<0。
对于A'点,无论荷载q增加或减少,都不会产生,仅产生。
在图1-2中,土体加载从O点逐渐到A点,则A点为屈服点。
随着应变的增加,B、C随后将成为新的屈服点。
由此可见,应力状态在屈服点上,便意味着加载时有塑性变形产生,卸载时只有弹性变形。
当应力状态减小到屈服点以内时,正负应力增量只引起弹性变形,总塑性应变不变。
因此可以认为屈服点与塑性应变有关。
塑性应变成为屈服准则的一个内变量,在简单的应力状态下可表示为:
(3-4)
图3-2弹性模型应力应变曲线
莫尔库伦模型的屈服准则为:
(3-5)
(3-6)
塑性理论中,流动规则用来确定塑性应变增量的方向或塑性一年增量张量的各个分量间的比例关系。
塑性理论规定塑性应变增量的方向是由应力空间的塑性势面g决定的,摩尔库伦模型中的g有两个方程描述及。
这两个函数分别用来定义剪切塑性流动和拉伸塑性流动,其中函数为不相关流动法则,它不能够保证解的唯一性;为相关联流动法则,它满足经典塑性理论要求的材料稳定性。
(3-7)
公式中为膨胀角,。
(3-8)
对于弹塑性本构模型而言,硬化定律是计算一个给定的应力增量引起的塑性应变大小的准则,硬化参数一般是塑性应变的函数,即:
(3-9)
硬化参数实质上反映了土中颗粒间相对位置变化和颗粒破碎的量,即土的状态和组构发生变化的情况,是一种土的状态和组构变化的内在尺度,从宏观上影响土的应力应变关系。
3.2基本假设和力学参数
(1)计算基本假设
①岩体为理想弹塑性介质,均质、连续、各向同性;
②不考虑岩体变形的时间效应和地下水影响;
③隧道及围岩的受力和变形是平面应变问题;
④地层和材料一的应力一应变均在弹塑性范围内变化,地应力场由重力自动生成;
⑤不考虑开挖爆破对围岩的损伤和震动影响。
(2)选取力学参数
计算中围岩的物理力学指标主要包括变形参数,如弹性模量和泊松比。
还有强度指标,如粘聚力和内摩擦角。
这些参数的取值对于数值分析结果影响很大。
根据现场的取样实验,得到的具体参数如下:
表3.1各材料物理力学参数
4、工程资料以及相关参数的确定
4.1工程概况
现选某时速80km/h的单线铁路隧道。
其衬砌结构形式如图4-1所示,拱墙部为C25网喷混凝土,仰拱部为C25喷射混凝土,内设工16型钢架,每榀钢架间距为0.6m,二次衬砌为C35钢筋混凝土,支护结构参数参考《铁路隧道设计规范》取值。
隧道处于低山区,自然坡度20~25º,植被发育。
地层为全风化~弱风化花岗岩,埋深15m,地下水较发育,围岩等级为Ⅳ级。
图4-1隧道衬砌结构(单位:
cm)
4.2计算说明
(1)分别计算该隧道在三台阶法、全断面法两种开挖方式下的地表沉降情况。
地表沉降监测以隧道中部地表断面为目标面,比较当掌子面开挖到中部断面时的结果。
(2)分别计算该隧道在三台阶法、全断面法两种开挖方式下的各位移情况。
包括A点拱顶位移,C、D点水平收敛位移及B点仰拱位移,如图4-2。
图4-2断面监测点示意
5、隧道开挖数值计算
5.1计算模型
应用有限差分软件FLAC3D对计算该单线铁路隧道采用三台阶法、全断面法两种开挖方式地表的沉降、隧道拱顶的位移、边墙的收敛和仰拱的位移。
建模是考虑隧道开挖半径的影响范围,在宽度方向左右各取5倍隧道洞径,向下取为隧道洞泾的4倍,向上取至地表,埋深为15m,在隧道长度方向取90m。
首先在AutoCAD中绘制隧道模型的二维图形,划分好区域和围岩土层等,导入ANSYS软件中实现,建立隧道平面模型,如图5-1、5-2所示。
图5-1全断面开挖ANSYS模型
图5-2三台阶法开挖ANSYS模型
然后利用ANSYS该软件划分网格,划分网格的原则是靠近隧道开挖部分网格划分较密,远离隧道开挖部分则划分较细,划分为四边形单元,建立隧道平面模型,如图5-3、5-4所示。
图5-3全断面开挖ANSYS模型网格划分
图5-4三台阶法开挖ANSYS模型网格划分
在ANSYS中利用VDRAG命令进行拉伸,利用不同的材料类型来为flac3D5.0中创建不同的组。
采用河海大学郑文棠博士编写的程序ANSYS-FLAC.exe实现,即可生成可读入的flac3D5.0模型文件,用flac3D5.0读取文件后生成的三维模型如图5-5、5-6所示。
图5-5全断面开挖flac3D5.0模型
图5-6三台阶法开挖flac3D5.0模型
计算模型采用位移边界条件,底部边界约束竖向位移,上部为自由边界,左右两端边界约束水平位移,如图5-7、5-8所示。
图5-7对全断面模型约束条件设置
图5-8对三台阶模型约束条件设置
5.2计算参数
根据已知资料,拱墙部为C25网喷混凝土,仰拱部为C25喷射混凝土,内设工16型钢架,每榀钢架间距为0.6m,二次衬砌为C35钢筋混凝土,该地层为全风化~弱风化花岗岩,埋深15m,围岩等级为Ⅳ级,并根据《铁路隧道设计规范TB10003-2005》,参数范围均取中值,可得到该隧道围岩的物理力学计算参数如表5-1。
表5-1隧道围岩的物理力学参数
围岩级别
重度γ(kN/m3)
弹性模量E(GPa)
泊松比v
内摩擦角(°)
粘聚力c(MPa)
Ⅳ
21.5
3.65
0.325
33
0.45
在FLAC围岩稳定性分析中,岩体变形参数采用体积模量(K)和剪切模量(G),将弹性模量(E)和泊松比(v)通过下列公式转化成体积模量(K)和剪切模量(G)。
;
该隧道的初次衬砌采用锚杆+喷射混凝土的的柔性支护,且内设工16型钢架,数值计算中隧道支护初次衬砌混凝土结构的物理力学参数取值如表3-2。
表5-2隧道初次衬砌混凝土结构的物理力学参数
类型
重度γ(kN/m3)
弹性模量E(GPa)
泊松比v
C25喷射混凝土
2.2
26.59
0.2
表5-2中喷射混凝土的弹性模量实际上是包括了16工字型钢拱架的弹性模量,本次计算中采用将16工字型钢拱架采用等效的方法折算成混凝土的弹性模量,即
C25喷射混凝土弹性模量E=原C25喷射混凝土弹性模量E1+(16工字型钢拱架截面面积S1×16工字型钢弹性模量E2)/混凝土截面积S
其中原C25喷射混凝土弹性模量E=23GPa;
16工字型钢拱架截面积S1=26.131cm2;
16工字型钢弹性模量E2=206GPa;
混凝土截面积S=0.25×90=22.5m2;
隧道模型纵向长度为90m,每榀钢拱架间距为0.6m,因此总共有150榀钢拱架,因此可以得到折算后的初次衬砌混凝土弹性模量E=23+(0.0026131×206×150/22.5)=26.59GPa。
根据FLAC3D数值计算的需要,砂浆锚杆参数的选取如表5-3。
表5-3砂浆锚杆参数
类型
重度(kN/m3)
弹性模量(GPa)
抗拉强度(kN)
刚度(MPa)
粘结力(kN/m)
横截面积
(cm2)
锚杆
23
20
310
20
1000
3.801
在建模过程中,根据计算结果需要,只需得到地表位移和围岩位移,初次衬砌可采用shell单元来模拟,厚度为25cm,其它物理力学参数根据表5-2选取,锚杆采用梅花形布置,如图5-9所示。
根据锚杆1.2m×1.2m布置,选择每个循环开挖进尺1.2m,数值计算中在开挖步200后,应力释放一部分后喷射混凝土和打锚杆,即支护。
图5-9隧道开挖初支结构图
6、数值模拟计算结果
6.1全断面法和三台阶法的位移云图对比分析
采用全断面法隧道开挖时,其竖向位移和水平位移分布云图分别如图6-1和图6-3所示,采用三台阶法隧道开挖时,其竖向位移和水平位移分布云图分别如图6-2和图6-4所示。
图6-1全断面法竖向位移云图
图6-2三台阶法竖向位移云图
对比分析可以发现,三台阶法的拱顶竖向位移稍大与全断面法开挖隧道拱顶的竖向位移,但是三台阶法的拱底位移却元小于三台阶法开挖时拱底的隆起位移,说明三台阶法有利于控制拱底的围岩的稳定,减小拱底隆起的程度。
图6-3全断面法水平位移云图
图6-4三台阶法水平位移云图
通过图6-3与图6-4的对比可以发现,全断面法与三台阶法对拱腰的水平位移的影响相差不多,故三台阶法并不能相比于全断面法对隧道拱腰的影响小。
6.2全断面法和三台阶法特定监测点的位移对比分析
为具体对比全断面法和三台阶法关于特定位置位移条件的对比,现将flac3D中关于隧道拱底、拱顶、拱肩的位移监控曲线进行对比分析。
图6-5全断面法监测点12(隧道中间拱顶)的竖向位移变化曲线
图6-6三台阶法监测点12(隧道中间拱顶)的竖向位移变化曲线
对比图6-5和6-6分析可以知道,三台阶法拱顶的位移相比于全断面法开挖拱顶的位移较大,但是仅仅相差0.1mm左右,在工程中基本可以忽略不计,与位移云图中的结果也基本吻合。
图6-7全断面法监测点13(隧道中间拱底)的竖向位移变化曲线
图6-8三台阶法监测点13(隧道中间拱底)的竖向位移变化曲线
对比图6-7和6-8可知,三台阶隧道中间拱底的竖向位移先比与全断面法拱底位移出现的时间早,这是由于三台阶法上部group2开挖的时对拱底产生影响。
而全断面法只有在隧道开挖快到隧道中间的时候才会对拱底产生影响。
虽说最后隧道中间拱底的最终位移两种开挖方法都差不多,但是三台阶法拱底位移变化相对全断面法缓慢,有助于围岩应力的缓慢释放,对于隧道施工而言更加安全。
图6-9全断面法监测点14(隧道中间左拱肩)的水平位移变化曲线
图6-10三台阶法监测点14(隧道中间左拱肩)的水平位移变化曲线
对比分析两种方法隧道中间左拱肩的水平位以量都相差不多,说明两种方法对其围岩稳定性的影响都不大。
图6-6全断面法监测点14(隧道中间表面)的水平位移变化曲线
图6-12三台阶法监测点14(隧道中间表面)的水平位移变化曲线
对比图6-11和图6-12分析可以知道,三台阶法相比于全断面法对于隧道顶部表面的下沉有较大的影响,三台阶法有利于控制隧道开挖上覆土层的位移沉降,说明其对围岩的影响相比于全断面法开挖时小,三台阶法更有利于保持围岩稳定。
7小结
1、全断面法隧道开挖地表沉降较三台阶法隧道开挖地表沉降大,因此采用三台阶法开挖隧道更有利于控制地表沉降值,有利于保持围岩稳定。
2、采用三台阶法开挖隧道,隧道拱顶的沉降,仰拱的位移及水平位移值均要小于全断面法隧道开挖。
3、虽然三台阶法隧道开挖较全断面法对隧道围岩变形影响较小,但其工序较全断面法复杂,在围岩条件较好的情况下应灵活变更开挖方法,达到安全、经济、高效施工。
4、数值模拟分析只是一种手段,定性分析隧道开挖围岩的变形特征,本次计算的位移变形值均较小,分析原因可能是所选取的参数保守,且在计算过程中,开挖后应力释放时间设置过短及支护施加过快。
附录一全断面模型ANSYS建模命令流
/prep7
!
定义单元类型
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围岩
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隧道
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- 隧道 断面 台阶 对比