利用flac3d软件的摩尔库伦弹性本构体对深埋隧道进行水力耦合计算分析

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1、利用Hac3D软件的摩尔库伦弹性本构体对深埋隧道进行水力耦合计算分析摘要：本文作者结合工作经验，介绍采用有限差分法及相关计算软件对深埋隧道的管口边缘的水土应力进行定量分析，从而可以采用有效的设计方案和施工技术，控制隧道的变形，取得理想效果，同时降低了成本，缩短工期。关键词：深埋隧道；有限差分；水力耦合；中图分类号：U45文献标识码：AlFlac3D程序求解1为某深埋隧道的截面图，为简化计算步骤，假设模型为不加衬砌不考虑自重的深埋圆形隧道，其条件为：＜1)1）地质条件：围岩弹性模量为=2.e8Mpa，珀松比为二0.15，岩体的透水性k=1.e-1

2、9m/s,比奥系数Biot_c=l，岩石孔隙率w=0.1；2）山体应力状态：假设各个方向初始应力状态相同SZZSXX=-1.e7KN，地下水压力各个方向相同PP=-4.e6K；外荷载为竖直方向SZZ二-1.e7KN3）隧道的半径为2m1深埋隧道剖面示意根据以上的条件，对隧道在地应力及地下水共同作用下，进行水力耦合状态分析，并通过计算分析隧道孔边的水土应力分布。1.1有限差分模型建立IUac3D软件提供多种几何模型，在本例中应用„；Radcylinder“几何模型，在网格划分的问题上，考虑到主要分析的方向X与Z方向，且外荷载为Z方向，因

3、此网格划分为4*1*12*24。（注：网格的划分影响输出结果的精度及分布云图，一般按照1:3:6的比例进行划分最优）1.2材料参数的设定Flac3D中提供多种本构模型，在本例中应用摩尔库伦弹性模型。需输入的参数包括弹性模量、珀松比、摩擦角、孔隙率、透水性、粘聚力以及减涨角。1.3HSH语言的编写FLAC3D主要通过FISH语言执行命令，一般需要用户定义几何模型、物理参数、模型的边界条件以及外部荷载，然后通过模型计算命令，最后导出计算结果。在本例中，我们需要计算出地应力及地下水应力的共同作用结果。1.4Flac3D在本例中的计算原理由于本例中应用

4、的本构模型是摩尔库伦，按照虎克定律，单元体在、Z方向上的应力和应变状态为:式子中的和是单元体上X、Y、Z方向上的应力，und是单元体上X、Y、Z方向上的应变。经开挖后，在土应力的作用下，隧道在X、Y、Z方向的应力变化转换成极坐标体系中为：其中：，，是开挖后在极坐标体系上轴向和切向应力变化；是开挖后隧道在极坐标体系中轴向及切向的应变变化。2计算结果分析Flac3D程序的输出数据主要是节点上的位移和应力点上的应力，以及结构单元的内力和位移，另外通过FISH语言的编辑，还可以输出路径-应力2.1地应力计算结果输出通过图2可以发现，经过开挖后，隧道内的

5、应力为0,而洞口处应力产生应力重分布，洞口四周应力最大，随着远离隧道中心的距离应力逐渐变小，趋近于初始应力状态。2地应力结果输出通过FISH语言编辑，将计算结果以图表方式表达（图3），由图可知，在距离隧道边缘2r以后的位置，应力基本趋近于初始应力状态。图3隧道地应力变化趋势2.2水应力计算结果输出经过地下水的影响，由于隧道为透水隧道，隧道的水压力等于周边等于周边水压力，并随着距离增大，水压力越来越小。如果隧道为不透水隧道，那么隧道的水压力应该恒等于周边水压力，且不随距离的改变而改变。可见管口处的存在最大水土应变塑性点，随着距离增加，水土应力应力

6、趋近于平缓。通过FISH语言编辑，将计算结果以图表方式表达（图5），黑色曲线为透水隧道的水压力曲线，红色曲线为不透水隧道的水压力曲线。4透水隧道与不透水隧道水应力变化趋势3结论本文结合算例，利用Flac3D有限插分的计算原理，对隧道开挖后的水力耦合效应进行分析，得到结论如下：1）如果隧道为透水隧道，隧道的水压力等于周边等于周边水压力，并随着距离增大，水压力越来越小。如果隧道为不透水隧道，那么隧道的水压力应该恒等于周边水压力，且不随距离的改变而改变。2）开挖后的隧道内部应力为0,而洞口处应力产生应力重分布，洞口四周应力最大，随着远离隧道中心的距离

7、应力逐渐变小，趋近于初始应力状态。