隧道開挖ansys模擬分析

1、隧道臺階法開挖的有限元模擬分析隧道臺階法開挖的有限元模擬分析1.力學模型的建立巖體的性質是十分復雜的，在地下巖體的力學分析中，要全面考慮巖體的所有性質幾乎是不可能的。建立巖體力學模型，是將一些影響巖石性質的次要因素略去，抓住問題的主要矛盾，即著眼于巖體的最主要的性質。在模型中，簡化的巖體性質有強度、變形、還有巖體的連續(xù)性、各項同性及均勻性等?？紤]巖石的性質和變形特性，以及外界因素的影響，采用的模型有彈性、塑性、彈塑性、粘彈性、粘彈塑性等

2、。根據對隧道的現(xiàn)場調查及試驗結果分析，圍巖具有明顯的彈塑性性質。因此，根據隧道的實際情況，考慮巖體的彈塑性性質，在符合真實施工工序和支護措施的基礎上，在數值模擬過程中將計算模型簡化成彈塑性平面應變問題，采用Drucker—Prager屈服準則來模擬圍巖的非線性并且不考慮其體積膨脹，混凝土材料為線彈性且不計其非線性變形。對地下工程開挖進行分析，一般有兩種計算模型：（1）“先開洞，后加載”在加入初始地應力場前，首先將開挖掉的單元從整體剛度矩

3、陣中刪除，然后對剩余的單元加入初始地應力場進行有限元計算。（2）“先加載，后開洞”這種方法是首先在整個計算區(qū)域內作用地應力場，然后在開挖邊界上施加反轉力，經過有限元計算得到所需要的應力、位移等物理量。兩種方法對線彈性分析而言，所得到的應力場是相同的，而位移場是不同的，模型（2）（即：“先加載，后開洞”）更接近實際情況。在實際地下工程開挖中部分巖體已進入塑性狀態(tài)，必須用彈塑性有限元進行計算分析，而塑性變形與加載的路徑有關，所以模擬計算必須

4、按真實的施工過程進行，即在對地下工程開挖進行彈塑性數值模擬過程中，必須遵循“先加載，后開洞”的原則。在有限元法中，求解非線性問題最常采用的方法是常剛度初應力法。對于彈塑性問題，由于塑性變形不可恢復，應力和應變不再是一一對應的關系，即應力狀態(tài)與加載路徑有關，因此應該用增量法求解。彈塑性應力增量與應變增量之間的關系可近似地表示為能夠很好地起到自承作用，故在數值模擬時對超前支護常采用提高圍巖c、φ值的方法進行概化處理，即采用將超前支護加固圈地

5、層力學參數適當加大的方法來模擬地層超前支護。根據試驗結果，所確定的具體參數如表1所示。表1圍巖及隧道結構物理力學參數材料彈性模量（GPa）泊松比巖體重度（kNm3）內聚力（MPa）內摩擦角（）圍巖1.30.3024500.1539襯砌27.50.2025002.4254錨桿2000.3079603計算采用的材料屈服準則計算采用彈塑性平面應變模型。巖土材料的非線性按DP材料處理，在ANSYS程序中，DP材料選項使用DruckerPrage

6、r屈服準則，此屈服準則對MohrCoulolnb準則給予近似，以此來代替MohrCoulomb準則。其流動準則可以使用相關流動準則也可以使用不相關流動準則，其屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而改變，因此沒有強化準則，然而其屈服強化隨著側限壓力的增加而相應增加，其塑性行為被認為是理想彈塑性。另外，作為巖體的兩個重要的參數內聚力c和內摩擦角φ都能通過材料數據表輸入。4計算步驟及程序的實現(xiàn)數值計算的基本思路是：將整個開挖、支護過程設置為若干個荷載

7、步，在各個荷載步中實現(xiàn)巖體開挖、支護等步驟，并逐一求解，直至最終形成圍巖—支護體系為止。具體步驟：①隧道開挖之前，在巖體荷載作用下對模型進行平衡計算，這是對模型進行的第一步求解，得圍巖的初始應力分布。②為實現(xiàn)隧道開挖過程，將上臺階代表被開挖掉的巖體和噴射混凝土層的單元一同殺死，對模型進行第二步求解。③為實現(xiàn)噴射混凝土支護的過程，將上臺階代表噴射混凝土層的單元復活，并改變其材料屬性，對模型進行第三步求解。④為實現(xiàn)隧道開挖過程，將下臺階代表