郑颖人-隧洞围岩稳定性分析方法探索.ppt

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1、有限元极限分析方法的基本原理介绍重庆市地质灾害防治工程技术研究中心中国人民解放军后勤工程学院教授郑颖人一、前言经典极限分析法适用工程设计但适应性差有限元法适应性广,但无法算安全系数有限元极限分析法,既适用于工程设计,且适应性广特别适用于岩土工程设计（边(滑)坡、地基、隧道）二、有限元极限分析法的原理(１)两种安全系数定义强度储备安全系数边坡体的垂直条分和受力分析超载安全系数（２）两种有限元极限分析法有限元强度折减法不断降低岩土C、值，直到破坏。有限元增量加载法（超载法）不断增加荷载，直到破坏。（3）有限元强度折减法的优越

2、性。a.具有有限元法的一切优点；b.能算出无支护情况下边坡滑动面与稳定安全系数。滑动面为一局部塑性应变剪切带，在水平位移突变的地方.c.能对有支护情况下边坡进行稳定性评价。不加锚杆时的塑性区加锚杆时的塑性区边坡稳定安全系数为1.1有锚杆支护时安全系数为1.5d.能根据岩土介质与支挡结构共同作用计算出支挡结构的内力。e.能模拟施工过程。a.滑面塑性区贯通b.滑动面上的位移与应变将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动c.有限元计算都不收敛，采用力或位移不收敛作为边坡破坏判据边坡失稳后形成的直线滑动面三、基本理论(1)有限元中

3、边坡破坏的判据滑面上节点水平位移随荷载的增加而发生突变a.本购关系采用理想弹塑性模型b.准则采用莫尔—库仑准则、德鲁克—普拉格(D-P)准则(2)本构关系与屈服准则的选取I1，J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量。图3各屈服准则在π平面上的曲线编号准则种类DP1外角点外接DP圆DP2内角点外接DP圆DP3莫尔-库仑等面积DP圆DP4平面应变关联法则下莫尔-库仑匹配DP准则DP5平面应变非关联法则下莫尔-库仑匹配DP准则表1各准则参数　　、　表强度准则的选用图3-4有限元单元网格划分表3-2采用非关联流动法

4、则时不同准则条件下的安全系数表3-3采用关联流动法则时不同准则条件下的安全系数隧洞围岩稳定性分析方法探索重庆市地质灾害防治工程技术研究中心中国人民解放军后勤工程学院教授郑颖人张红杨臻邱陈渝研究目的:用有限元强度折减法研究隧洞破坏机理与稳定安全系数现行隧洞算法隧洞的两种荷载：松动压力与形变压力第一钟算法：荷载—结构法，荷载是假定的第二钟算法：地层—结构法,岩体视作均质,按围岩分级确定数据,计算采用数值方法,破坏状态按经验确定.研究内容一现行极限状态判据研究二黄土隧洞破坏机理与安全系数研究三黄土隧洞剪切安全系数研究四黄土隧洞拉

5、裂安全系数研究五黄土隧洞的设计(围岩与衬砌安全系数)六岩体参数确定七岩质隧洞设计一、现行隧洞破坏状态判据研究1以洞周位移或收敛位移为判据存在的问题测点位置不同，位移值不同，位移标准也不同，不知道最敏感的测点位置力学分析中，没有以位移表述的破坏标准，极限位移值按经验确定.弹性模量E对洞周位移影响很大弹性模量()2030405060拱顶最大垂直位移(cm)9.47.34.74.43.6侧墙最大水平位移(cm)7.65.13.83.02.5安全系数1.621.621.621.621.62表1不同弹性模量的计算结果岩土的弹性模量很

6、难测准，严重影响计算结果断面形状、尺寸不同，收敛位移界限不同Ⅴ类围岩不同断面的相对收敛位移界限标准三心圆拱>扁平直墙拱>窄高直墙拱小断面（5×7.5×5）>大断面(10×15×10)围岩类别毛洞断面部位隧洞断面形状三心圆直拱扁平直拱窄高小断面大断面Ⅴ拱顶0.290H～0.559H0.257H～0.481H0.164H～0.310H0.134H～0.258H侧墙0.350D～0.672D0.192D～0.362D0.472D～0.896D0.212D～0.410D2以塑性区大小为破坏判据的问题位移值大小主要取决于弹模，塑性区

7、大小主要取决于强度力学分析中还没有以塑性区大小的破坏标准，塑性区大小的判据也按经验确定图1开挖后围岩的塑性区(=0.20)图2开挖后围岩的塑性区（=0.25）图3开挖后围岩的塑性区(=0.30)不同的泊松比对塑性区大小有很大影响图4开挖后围岩的塑性区(=0.35)图5开挖后围岩的塑性区(=0.40)（图6开挖后围岩的塑性区(=0.45)表3不同泊松比的计算结果泊松比不易测准，对塑性区大小影响很大,但对安全系数影响很小0.200.250.300.350.400.45围岩塑性区面积(㎡)294.5638.3912.858.96

8、8.718.68围岩塑性区最大深度(m)14.006.262.761.571.281.20安全系数1.6241.6261.6251.6251.6261.627泊松比不同数值分析软件对塑性区大小的影响ANSYS软件计算的塑性区PLASIX软件计算的塑性区FLAC软件计算的塑性区采用不同软件计算的塑性区大小