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1、第32卷第8期水电能源科学Vo1.32No.82014年8月WaterResourcesandPowerAug.2014文章编号:1000~7709(2014)08—0112—04基于FLAC3D的隧洞衬砌与围岩接触性状分析张凌(中水电海外投资有限公司,北京100048)摘要:为了更好地了解围岩与衬砌之间的相互作用,利用三维拉格朗日有限差分法,在商业软件FLAC中通过设定接触面来研究不同工况下围岩与衬砌间的接触状态及围岩与衬砌的应力、应变规律。通过数值模拟破坏性试验揭示高应力下待开挖区域变形规律,通过接触面来反映隧洞围岩和衬砌嵌入形态。模拟结果表明,岩性和开挖支护方式选择在实际地
2、下隧洞施工中起着重要作用。关键词:隧洞;衬砌;接触性状;FLAC;数值模拟中图分类号:TU311文献标志码:A1引言2数值计算模型的建立水工隧洞围岩的稳定性和支护结构的可靠性2.1计算模型是实现工程安全、经济、顺利建设的重要保障,然使用高地应力下的隧洞模型(图1)来反映接而对深埋引水隧洞特别是高地应力区域的隧洞,触面产生的作用,对于衬砌使用Brick的实体单无论是设计计算理论还是施工建设技术目前尚处元进行模拟,通过改变岩体及衬砌的力学参数来于研究探索阶段。地下岩体开挖前,岩体处于平反映围岩与衬砌之间的作用。建立3OmX30m×衡状态,隧洞开挖时破坏了原应力平衡状态,使岩10m三维
3、模拟模型,共产生8640个实体单元,体内部的应力重新分布。从力学的观点来看,地9515个节点,550个接触面单元。围岩物理力学下洞室的围岩失稳是由于围岩的应力水平达到或参数为:弹性模量89.5~8950.0MPa,泊松比超过岩体的强度范围,形成一个连续贯通的塑性0.26,粘聚力1.6MPa,内摩擦角5O。,侧压力系数区或滑动面,产生较大位移最终导致失稳的问题。K1.4,重度1900kN/m。,饱和抗压强度50MPa,隧洞工程的围岩承受着相对较大的岩体自重和初剪切模量61.6~6160.0MPa,埋深710m。衬始地应力的作用,若围岩压力较大,容易出现塌砌结构参数为:弹性模量l1.
4、7×10。MPa,剪切模落、岩爆等现象l_】],因此隧}同支护在整个隧洞建设量5.4×10。MPa,泊松比0.167,重度2500kN/m3,过程中尤为重要。FLAC∞是一种三维显函数有衬砌厚度r。0.5m。限差分程序,其算法的基础是三维快速拉格朗日算法,将计算区域划分为若干四面体单元,每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系,若单元应力使得材料屈服或产生塑性流动,则单元网格可以随着材料的变形而变形,特别适用于岩石力学的非线性大变形或不稳定(如滑动或分离)问题,其计算模型网格能以大应变模图1隧洞网格图式变形并随材料流动。鉴此,本文通过在Fig.1Tunnelgri
5、dFLAC如中设定接触面来分析围岩与衬砌的相互2.2衬砌与围岩间接触面的模拟分析理论作用及作用状态,为隧洞工程支护设计、施工方式地下洞室开挖衬砌后,围岩变形受到衬砌抑提供参考。制,此时围岩作用于衬砌的力就是围岩压力或山收稿日期:2013一¨~25,修回日期:2014—01—08作者简介:张凌(1982一),男,硕士、工程师,研究方向为地下结构稳定及数值模拟分析,E-mail:zhangling@powerchina.cn第32卷第8期张凌:基于FLAC的隧洞衬砌与围岩接触性状分析·1l3·岩压力。根据围岩压力作用于衬砌部位的不同,在FLACm中的接触面分为弹性接触面和无分为作用于
6、顶部衬砌的垂直山岩压力、作用于边弹性接触面,本文仅介绍弹性接触面的工作原墙衬砌的侧向山岩压力、作用于底部衬砌的上挤理_6]。法向应力和切向应力决定累积弹性接触面的力三种,本文中深埋隧洞的侧向围岩压力很大,一般响应:都大于垂直围岩压力,最高可达3~5倍。在数值F一乱A+A(1)模拟的过程中将衬砌和围岩共同视为承载体口’。]。F一F+志△税出A+A(2)在FLAC∞中使用INRTERFACE单元来模式中,F为t+At时的法向应力分量;k为法拟接触面,对INRTERFACE的主要参数进行了向刚度;“为接触面节点插入到目标面法向的渗确定,并通过破坏性的数值试验研究接触面在衬透距离;A为与
7、接触面有节点连接的相关区域的砌与围岩之间所起的作用。面积;为接触面初始法向应力;F为t+At时接触面单元是一种无厚度或厚度很薄的特殊的剪切应力分量;k为剪切刚度;Aut.~-为相对有限单元,在相邻接触物体间起过渡作用,基于事剪切位移增量;为接触面初始切向应力。先假定的接触面本构关系,通过增量和迭代手段模拟INTERFACE的关键是确定参数k、调整单元本构模型中的参数,近似地模拟其应k,其中k可通过接触面直剪试验得出,FLAC。。力一应变关系E4,5]。接触面的计算模型是指为了给出
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