隧道開挖ansys模擬分析

1、隧道臺(tái)階法開挖的有限元模擬分析隧道臺(tái)階法開挖的有限元模擬分析1.力學(xué)模型的建立巖體的性質(zhì)是十分復(fù)雜的，在地下巖體的力學(xué)分析中，要全面考慮巖體的所有性質(zhì)幾乎是不可能的。建立巖體力學(xué)模型，是將一些影響巖石性質(zhì)的次要因素略去，抓住問題的主要矛盾，即著眼于巖體的最主要的性質(zhì)。在模型中，簡(jiǎn)化的巖體性質(zhì)有強(qiáng)度、變形、還有巖體的連續(xù)性、各項(xiàng)同性及均勻性等。考慮巖石的性質(zhì)和變形特性，以及外界因素的影響，采用的模型有彈性、塑性、彈塑性、粘彈性、粘彈塑性等

2、。根據(jù)對(duì)隧道的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及試驗(yàn)結(jié)果分析，圍巖具有明顯的彈塑性性質(zhì)。因此，根據(jù)隧道的實(shí)際情況，考慮巖體的彈塑性性質(zhì)，在符合真實(shí)施工工序和支護(hù)措施的基礎(chǔ)上，在數(shù)值模擬過程中將計(jì)算模型簡(jiǎn)化成彈塑性平面應(yīng)變問題，采用Drucker—Prager屈服準(zhǔn)則來模擬圍巖的非線性并且不考慮其體積膨脹，混凝土材料為線彈性且不計(jì)其非線性變形。對(duì)地下工程開挖進(jìn)行分析，一般有兩種計(jì)算模型：（1）“先開洞，后加載”在加入初始地應(yīng)力場(chǎng)前，首先將開挖掉的單元從整體剛度矩

3、陣中刪除，然后對(duì)剩余的單元加入初始地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有限元計(jì)算。（2）“先加載，后開洞”這種方法是首先在整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)作用地應(yīng)力場(chǎng)，然后在開挖邊界上施加反轉(zhuǎn)力，經(jīng)過有限元計(jì)算得到所需要的應(yīng)力、位移等物理量。兩種方法對(duì)線彈性分析而言，所得到的應(yīng)力場(chǎng)是相同的，而位移場(chǎng)是不同的，模型（2）（即：“先加載，后開洞”）更接近實(shí)際情況。在實(shí)際地下工程開挖中部分巖體已進(jìn)入塑性狀態(tài)，必須用彈塑性有限元進(jìn)行計(jì)算分析，而塑性變形與加載的路徑有關(guān)，所以模擬計(jì)算必須

4、按真實(shí)的施工過程進(jìn)行，即在對(duì)地下工程開挖進(jìn)行彈塑性數(shù)值模擬過程中，必須遵循“先加載，后開洞”的原則。在有限元法中，求解非線性問題最常采用的方法是常剛度初應(yīng)力法。對(duì)于彈塑性問題，由于塑性變形不可恢復(fù)，應(yīng)力和應(yīng)變不再是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即應(yīng)力狀態(tài)與加載路徑有關(guān)，因此應(yīng)該用增量法求解。彈塑性應(yīng)力增量與應(yīng)變?cè)隽恐g的關(guān)系可近似地表示為能夠很好地起到自承作用，故在數(shù)值模擬時(shí)對(duì)超前支護(hù)常采用提高圍巖c、φ值的方法進(jìn)行概化處理，即采用將超前支護(hù)加固圈地

5、層力學(xué)參數(shù)適當(dāng)加大的方法來模擬地層超前支護(hù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，所確定的具體參數(shù)如表1所示。表1圍巖及隧道結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)材料彈性模量（GPa）泊松比巖體重度（kNm3）內(nèi)聚力（MPa）內(nèi)摩擦角（）圍巖1.30.3024500.1539襯砌27.50.2025002.4254錨桿2000.3079603計(jì)算采用的材料屈服準(zhǔn)則計(jì)算采用彈塑性平面應(yīng)變模型。巖土材料的非線性按DP材料處理，在ANSYS程序中，DP材料選項(xiàng)使用DruckerPrage

6、r屈服準(zhǔn)則，此屈服準(zhǔn)則對(duì)MohrCoulolnb準(zhǔn)則給予近似，以此來代替MohrCoulomb準(zhǔn)則。其流動(dòng)準(zhǔn)則可以使用相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則也可以使用不相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則，其屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而改變，因此沒有強(qiáng)化準(zhǔn)則，然而其屈服強(qiáng)化隨著側(cè)限壓力的增加而相應(yīng)增加，其塑性行為被認(rèn)為是理想彈塑性。另外，作為巖體的兩個(gè)重要的參數(shù)內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ都能通過材料數(shù)據(jù)表輸入。4計(jì)算步驟及程序的實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的基本思路是：將整個(gè)開挖、支護(hù)過程設(shè)置為若干個(gè)荷載

7、步，在各個(gè)荷載步中實(shí)現(xiàn)巖體開挖、支護(hù)等步驟，并逐一求解，直至最終形成圍巖—支護(hù)體系為止。具體步驟：①隧道開挖之前，在巖體荷載作用下對(duì)模型進(jìn)行平衡計(jì)算，這是對(duì)模型進(jìn)行的第一步求解，得圍巖的初始應(yīng)力分布。②為實(shí)現(xiàn)隧道開挖過程，將上臺(tái)階代表被開挖掉的巖體和噴射混凝土層的單元一同殺死，對(duì)模型進(jìn)行第二步求解。③為實(shí)現(xiàn)噴射混凝土支護(hù)的過程，將上臺(tái)階代表噴射混凝土層的單元復(fù)活，并改變其材料屬性，對(duì)模型進(jìn)行第三步求解。④為實(shí)現(xiàn)隧道開挖過程，將下臺(tái)階代表