某隧道在自重应力场下的FLAC3D数值分析.pdf

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1、某隧道在自重应力场下的FLAC3D数值分析曹日跃(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥230022)[摘要]利用现阶段国内外流行的岩土数值分析软件，模拟分析了半圆拱直墙形隧道围岩在自重应力场作用下隧道开挖后的拱顶下沉和边墙水平收敛大小以及围岩中的塑性区大小。对隧道工程的设计和施工有指导作用和参考价值。[关键词]FLAC3D；数值分析；隧道开挖文章编号：2095—4085(2015)07—0027—02正确地掌握和了解自重应力场对隧道开挖的作用和影响是合理地进行隧道工程设计的前提和基础。现以半圆拱直墙形隧道为例，采用目前国际上比较流行且功能强大的FLAC3D软件对

2、深部围岩在隧道开挖过程中隧道围岩的拱顶下沉和边墙水平收敛大小以及围岩中的塑性区大小情况进行模拟分析，为隧道的安全监测和选择合理的支护提供科学依据。1FLAC简介FLAC‘11(FastLagrangianAnalysisofContinua)是由Itasca公司研发推出的连续介质力学分析软件，适用于解决大变形的非线性岩土力学问题。作为有限差分软件，相对于其它有限元软件，在算法上，FLAC／FLAC3D有以下几个特征点：(1)采用“混合离散法”来模拟材料的塑性破坏和塑性流动。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)即使模拟静态系统，也采

3、用动态运动方程进行求解，这使FLAC／FLAC3D模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。(3)采用显式差分法求解微分方程。对显式法来说，非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的差别，根据已知应变增量，可很方便地求得应力增量、不平衡力并跟踪系统的演化过程。次分析为在某Ⅳ级围岩中开挖一半圆拱直墙形隧道，隧道跨度10m，边墙高5m，隧道埋深500m。围岩岩层为石英云母片岩，结构面发育，层厚较小，为Ⅳ级围岩模型近似处理为均一岩体。根据实际问题的边界，指定沿隧道轴线里程增大方向为Y轴正向，竖直向上为z轴正向，隧道掘进横断面向左方向为x轴正向，计算范围选为：由于隧道的

4、半径为5m，根据经验取6倍的隧道半径为围岩影响区，所以取30m为边界，划分网格的边长为0．5m。2．2边界条件由于模型所在区域为地应力地段，地应力仅以岩层自重作为考虑；计算模型的位移边界和应力边界为左面边界(X=0m)、前方边界(Y=30m)为位移约束边界，约束水平方向的位移；模型的底面(z=一30m)也为位移约束边界，仅约束垂直方向的位移；其余为荷载边界。2．3岩体力学参数根据地质资料，地层主要以云母片岩为主，在FLAC3D计算中，岩体采用的是摩尔一库仑(Mohr—Coulomb)弹塑性材料模型，需要输入的岩石的力学参数是体积模量(K)、剪切模量(G)，因此

5、根据FLAC3D提供的弹性力学公式换算求得旧J：F一墨G：堡一3(1—2灿)一2(1+灿)其中：E为弹性模量m为泊松比。2模型的建立3计算结果分析2．1模型的概化网格建模是数值分析软件计算的重要前提。本作者简介：曹日跃(1991一)，男，安徽合肥人，研究方向：地下工程结构优化与稳定性分析。3．1开挖后塑性区分析图1为隧道开挖后的塑性区范围分布图。可见当隧道在自重应力作用开挖后．应力集中区域在拱顶、拱肩和边墙处，在距离隧道6倍距离外岩层体内应力并无明显变化。岩层体内应力重新分布‘3

6、，隧·舸·道开挖前端最大应力明显较之后端为大。说明隧道周边点是最危险处，特别是开

7、挖前端，施工时应给予重视。加锚喷网支护能提高围岩的力学强度，满足工程稳定性要求。图1开挖后毛洞塑性区3．2开挖后的位移稳定分析图2反映了开挖最大不平衡力与时间(步长)的关系，从曲线中可以看出，隧道围岩不平衡力在变形的初期有较大幅度的调整，随后，逐渐趋于稳定。由图3可以看出，随着迭代时步的增加，拱顶点垂直位移逐渐稳定在某一特定值上。这表明，围岩在经历了变形后，最终稳定下来。¨．^(303．t／O∞1。km伪t瞳m■a础H_叶‘M‘u州口口d：豫鼍：20。．a一Ⅶ{k日。1∞口h脚曲叫吨。叩k哺T_D蠹"qLB～图2体系最大不平衡力fLAc3D3．003∞t锄日黼

8、"u刖∞矾‘撼hn∞U'№4口柚u≈∞bOj‰5∞，∞o1t'‘a*麓蜜韶拳“图3开挖毛洞后Z方向的位移曲线4总结FLAC3D用于隧道开挖后围岩稳定性分析是非常有效的，且为以后隧道开挖支护设计提供了一个有力的工具。通过FLAC3D对系统最大不平衡力的计算和关键部位位移的跟踪，计算结果符合该隧道的受力变形情况。围岩可以通过自身应力、应变和能量的调整使整个系统达到稳定状况，能满足隧道变形监测的要求。通过该隧道围岩的分析得出，隧道周边点是最危险处，特别是开挖前端，施工时应给予重视。建议施工时辅以监控量测手段，以判断围岩是否稳定，在较低的成本下保证围岩的稳定性。参考文

9、献：[1]陈育民，徐鼎平．FLAC／F