巷道ansys计算分析

《巷道ansys计算分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、1工程概况本次研究的是某矿北大巷的开挖围岩稳定性和支护效果。北大巷位于三煤的底板岩层中，其标高为－850m，垂直地应力约为20MPa，巷道为直墙半圆拱型形状，净宽4.22m，净高3.38m。由于地应力高，故采用锚喷反底拱、锚注复合支护方案加固巷道，具体的巷道尺寸与支护措施如图1。图1巷道锚喷反底拱、锚注复合支护方案2北大巷围岩结构力学模型巷道支护模拟分析最主要问题有三个：一是本构模型和参数；二是边界条件；三是模拟开挖和支护过程。2.1数值计算模型的特点（1）巷道问题符合平面应变问题，本次数值计算均作为平面应变问题来处理。（2）为消除边界效应，各模型取足够大的尺寸，巷道处于模型的中心。（3）根据

2、实际经验和采矿理论，在模型的左右边界设为应力边界条件，模型下边界设为垂直位移约束，上边界自由加载，载荷大小为覆岩的自重。（4）模型岩层的划分与实际地层基本一致，较薄岩层合并处理。（5）合理选择计算参数和本构模型。2.2本构模型及力学参数选取（1）本构模型的选取岩石材料本构关系的描述，国内外有很多种，每一种本构模型都有其优缺点，这里采用目前应用最广泛、最适宜于岩土材料的Dracker-Prager15屈服准则。该屈服准则对Mohr-Coulomb准则给予近似，以此来修正Von·Mises屈服准则，即在Von·Mises表达式中包含一个附加项。其流动准则可以使用相关流动准则，也可使用不相关流动准则

3、，其屈服面不随材料的逐渐屈服而改变，同时考虑了由于屈服而引起的体积膨胀，因此适用于岩土、混凝土和土壤等颗粒状材料。Drucker-Prager在1952年提出式：(1)其中，I1为考虑平均应力的应力第一不变量J2为应力偏张量第二不变量、k为材料参数。在数值计算中，DP材料需要输入的参数有E、、C、、，其确定方法如下：（2）（3）上式中的和可由单轴受压屈服应力和受拉屈服应力计算得来，（4）（5）因此，如果有单轴受拉屈服应力和单轴受压屈服应力就可以计算出程序需要的输入值。另外，代表膨胀角，它用来控制体积膨胀的大小，对压实的颗粒状材料，当材料受剪时，颗粒将会膨胀，如果膨胀角为0，则不会发生体积膨胀，

4、如果=，在材料中将会发生严重的体积膨胀，一般来说，=0是一种保守方法。（2）力学参数的选取力学参数的选取直接关系着是否能得到正确的计算结果，根据以往位移反分析的成果，弹性模量可由实验室测试值乘以一合适的折减系数得到，其余的力学参数可以查阅岩石力学参数手册，并结合实践经验类比确定。2.3计算模型的建立（1）计算范围的选择巷道的计算范围要适当，边界长度一般按巷道直径的3-5倍选取，这样可消除边界效应的影响。本次巷道选取一个30m×1530m的正方形区域，巷道位于模型的正中央。（2）边界条件和计算参数在自重应力条件下，对边界条件作如下规定：对底边约束垂直方向位移，对左右两侧边界施加水平方向约束，在模

5、型的顶部施加垂直地应力。本次计算的巷道的计算参数见表1。表1计算参数表材料类型容重（KN/m3）变模E（Gpa）粘聚力C（Mpa）摩擦角（）泊松比岩体23.080.8330.25喷层25.0281.4450.22注浆加固岩体23.0151.2400.25反底拱25.0302500.222.4模拟计算过程开挖和支护按下列步骤进行：（1）未开挖时的初始计算模型建立完毕后，施加边界条件，令所有的支护单元处于死亡状态，计算初始应力场和初始位移场。（2）开挖与支护计算在外载不改变的情况下，令本次开挖单元休眠，支护单元（锚杆）激活，然后进行计算，分别模拟单纯用锚杆支护和锚注联合支护的效果，通过本次计算，得

6、到本次开挖的计算结果，，即第一次开挖支护后围岩的应力场和位移场。和表示开挖过程中的应力和变形结果，在实际应用中，常认为初始位移场为零位移场，即经常关心的是在原始状态下的扰动位移。（3）绘制相应的应力和变形图，并分析计算结果。3ANSYS数值分析3.1软件介绍目前，用于结构分析及岩土工程数值计算的软件很多，根据研究问题的特点和要求，本次选用美国Ansys公司的Ansys数值分析软件。Ansys软件是美国Ansys公司开发的有限元商业软件，该程序是一个功能强大灵活的设计分析及优化软件包，可在大多数计算机的操作系统上运行，可以用于结构力学分析、热分析、流体力学分析和耦合场分析等多个领域，在结构力学分

7、析方面，可用于静力分析，可以考虑结构的线性和非线性行为，如大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等，非常适合应用于岩土工程数值计算。3.2开挖与支护的模拟方法开挖及支护过程采用指定休眠单元/活单元（Death/Birth15）方法来实现，这种方法广泛适用于岩土工程的开挖、矿层开采、隧道开挖建桥系列装配等计算中，在计算过程中，若要模拟工程的开挖，则预先将开挖区剖分成一组单元，当在该计算区要