最新4--模型边界条件及初始应力场的合理确定解析PPT课件.ppt

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1、4--模型边界条件及初始应力场的合理确定解析第一节模型边界条件的类型及其选择数值模型的边界条件由场变量(如应力、位移)组成，它是场变量在模型边界的指定。力学边界条件主要有两种类型：应力边界条件和位移边界条件。第一节模型边界条件的类型及其选择一、应力边界自由面是指定应力边界的一个特例。缺省时模型边界不受应力和任何限制。Itasca软件允许在指定的范围内加线性变化的应力或力。加应力梯度的典型情况是用来再现由重力引起的随深度增加的应力影响，但要保证所加梯度与初始化应力场指定的梯度和重力加速度的值相一致。四、边界类型的选择有时加在被模拟物体特殊表面上的边界条件类型很难知道。例如

2、，在模拟实验室三轴试验中，把通过压盘所加的载荷看做应力边界，还是把压盘作为刚性体采用位移边界呢?当然，可以模拟整个试验机，包括那个压盘，但那样很费时。如果刚度反差很大，需要花很长时间才收敛。一般地，如果施加载荷的物体与样品相比很硬，如硬20多倍，那么可以把它作为刚性边界；如果它与样品相比是软的，如软20倍，那么可以把它作为应力边界。显然作用在物体表面的流体压力属于后一种类型。为了找到岩体的失稳载荷，经常把节理岩体的上边界作为有固定位移速度的刚性边界。这样处理的优点是可以较为容易地控制试验并获得好的荷载一位移曲线图。第一节模型边界条件的类型及其选择五、几种边界条件的对比图

3、4-1两个巷道建模的模型图(a)最小模型；(b)最大模型第一节模型边界条件的类型及其选择五、几种边界条件的对比模型施加了三种边界条件：应力边界条件、固定边界条件和边界元边界条件。在所有模型中，块体内的单元大小相同，以便消除离散化本身的影响。初始地应力场，垂直应力与水平应力的比是2：1。为了便于对比分析，进行了两项观测：一项是大巷顶部中点的垂直位移Uy；另一项是两个巷道之间岩柱中点的垂直应力σyy。图4-2所示以无量纲的形式给出了模拟结果。计算的位移和应力归一化到它们的渐近值，模型大小是模型宽和高的平均值，目标大小是两巷间的平均距离。图4-2模型边界条件对模拟结果的影响第

4、一节模型边界条件的类型及其选择第二节采动影响的模型边界条件覆岩移动变形规律合理确定。上一章根据开采引起的覆岩移动变形规律，重点分析了模型边界位置的合理确定方法。在此基础上，本章重点讨论模型边界条件的合理确定。在采矿工程和岩土工程的数值模拟中，模型的下部边界条件通常简化为固定边界条件，即在方向上位移为零(v＝0)。确定了底板破坏深度后，可以把模型的下边界确定在底板破坏深度以下，此时模型边界对模拟结果的影响较小。第二节采动影响的模型边界条件根据充分采动区内点的移动轨迹，位于充分采动区内的各点，岩层移动稳定后，将位于其起始位置的正下方附近，一般略微偏向回采工作面停止位置一侧。

5、因此考虑采动侧的模型边界位置时，当(超)充分采动时，应将采动侧的模型边界置于充分采动区内，以便在模型的采空侧竖向边界施加滚动边界条件，即在模型边界上水平方向位移为零(u＝0)，垂直方向可以运动。根据岩层移动范围的确定方法，可以将煤柱侧模型边界置于用岩层移动角圈定的范围以外，即煤柱侧模型边界上或全断面模型两侧的煤柱侧边界上，水平方向位移为零(u＝0)，垂直方向可以运动。在数值模拟中，上部边界条件通常采用应力边界条件。这种简化方法是否合理对模拟的结果产生多大的影响?需要进行进一步的探讨。第三节模型边界条件对模拟结果的影响分析一、计算模型及参数模型模拟煤层埋深300m，模型宽

6、度400m，上覆岩层取至表土层，计算模型见图4-3，模型中岩层力学参数取值见表4-1。节理特性考虑采动影响，直接顶采用应变软化模型。模型一上边界取至表土层，称为完整模型，模型二上边界取至导水裂隙带以上，称为简化模型。为了便于分析，模型中设置了两条监测线。这两条监测线分别位于基本顶上方和导水裂隙带上方，分别称为1#和2#监测线。模型的具体情况见图4-3。第三节模型边界条件对模拟结果的影响分析一、计算模型及参数图4-3计算模型第三节模型边界条件对模拟结果的影响分析一、计算模型及参数岩层密度／kg·m-3弹模／MPa泊松比内摩擦角／(°)抗拉强度／MPa粘聚力／MPa细砂25

7、00220000.222445.4煤层130031000.3351.22.2砂岩2500220000.233136.4中细砂2500230000.233226.4粗砂岩2500460000.233236.4表4-1模型各岩层岩石力学参数第三节模型边界条件对模拟结果的影响分析二、模拟结果分析首先以基本顶破断步距作为考察对象，对比完整模型和简化模型的模拟结果。图4-4所示为随着煤层开采，基本顶初次破断的情况。完整模型在煤层开挖60m时，基本顶发生初次破断，并导致其上覆岩层同步破断。简化模型在煤层开挖55m左右时，基本顶发生了初次破断，与完整模