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《岩土工程数值计算方法》

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专业： 建筑与土木工程 学院： 土木与环境工程

2016年5月26日

一 概述

近些年来，对振动危险性的分析以及振动强度的确定，主要采用的是模拟计算的方法，通过动力有限元法模拟分析岩体爆破地震效。结合上一章爆破振动的相关试验数据，对于不同爆破状况下的地表震动效应，使用 ANSYS/LS-DYNA有限元程序进行模拟分析，并将其分析结果与实际检测的数据进行比较，分析获取地表震动参数的计算模式。

设计爆破方案以及优化爆破参数等必须以准确的振动参数为前提，因此在不同爆破条件下，为了将爆破振动控制在合理区间内，需要精确预测地震波在各区域位置的振动参数。当前，对爆破地震波振动参数预测的方式有两种：其一是依据经验公式进行估算；其二是以动力有限元法为基础展开数值模拟分析。在工程实践中，经验公式计算法的应用最为广泛，然而考虑到区域地理环境以及爆破要求的影响，其计算的精确性并不高。

选取新建怀化至邵阳至衡阳铁路线上的某隧道的断面，隧道区穿越p1q、P1Q灰岩、泥质灰岩，岩层产状总体倾向出口，溶蚀裂隙较发育，岩体较破碎～较完整。隧道的主要工程地质问题为断裂破碎带、岩溶等。断层及其影响带附近洞身围岩破碎，易发生掉块、塌方，施工时应加强防护；地下水发育，施工可能遭遇大型溶槽、溶腔，有突水、突泥风险，施工中应加强防排水措施。隧道的断面图如下。

隧道腰部和顶部衬砌厚度是65cm，隧道仰供衬砌厚度是85cm，采用C30钢筋混凝土为衬砌材料，隧道围岩级别是Ⅴ级，洞跨是14.21m，浅埋隧道，隧道仰供下承受水压0.2MPa。

二数值计算方法

1理论基础

当前，数值模拟方法主要分为三种：一是有限单元法；二是有限差分法；三是有限体积法。将连续的求解域划分为多个有限单元，并构成离散性模型，对其相似数值进行求解，即

为有限元方法。有限元主要包含两种形式：一是结构有限元；二是动力有限元。对于边界形状较为复杂的强动载荷进行计算时，动力有限元方法较为合适，其优势主要表现在有利于通用程序的编制，在冲击领域模拟计算方面应用较多。

通常情况下，爆炸作用过程是极其复杂的，解析值是很难精确获得的，当前主要采用两种方式：一是数值分析；二是模拟试验。物质模型的描述，如材料构成、炸药状态模式等，对数值分析的精度影响较大。当前，爆炸作用下物质模型的描述还不够成熟，数值分析的精度通常情况下会低于相似方程的精度， 这制约了其使用范围。但数值分析能够对所有过程的现象进行具体描述，其计算结果与试验结果通过拟合参数的形式能基本保持一致，这能为相关研究人员同更多的过程数据资料。

2有限元软件选择

爆破地震效应具体表现为一个高度非线性的过程。依据这些特征，分析软件应具有一定的静、动力分析方法，且在非线性载荷、脆性断裂、非线性结构等方面应具备较强的求解功能。在数值运算以及求解技术等方面，分析软解也应具备很强的能力。分析软件的网格形成技术、处理功能等都应具备较高的水平，能保障计算的准确性，能对大变形量、物体摩擦等问题进行计算。目前，对高度非线性动力学进行求解的计算程序主要分为三类：一是拉格朗日型程序；二是欧拉型程序；三是混合性程序，包含 DYNA、ADYNA 等在内的程序应用最为广泛。在国防CAE研究领域，ANSYS/LS-DYNA的应用最为普遍，其是由 LS-DYNA与ANSYS分析软件综合发展而来，在撞击分析、图形技术处理、大变形动力分析等方面，有很好的应用分析[83]。根据试验标准以及爆破地震效果的特征，本文选取ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟分析。

3ANSYS/LS-DYNA简介

3.1 ANSYS/LS-DYNA的分析功能

LS-DYNA为ANSYS/LS-DYNA分析软件的求解器，是全球应用最为广泛的有限元求解程序。有Lagrange、ALE以及 Euler算法，Lagrange 为主要算法；有显式求解与隐式求解等功能，显式求解应用最多；有非线性动力分析、静力分析功能等分析方法，以非线性动力为主要分析方法。在显式动力分析领域，LS-DYNA是全球最为知名的分析程序，能对客观世界的各类繁琐问题进行模拟分析，比如各类非线性结构的快速撞击以及材料成型等问题，与此同时对传热等能量问题也能进行求解。在实践应用中，被公认为最好的分析软件。多数次的试验研