公路隧道开挖数值模拟 下载本文

内容发布更新时间 : 2024/12/25 22:34:20星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

公路隧道开挖数值模拟

摘 要:本文采用弹塑性理论,利用通用有限元程序abaqus建立公路隧道二维有限元模型,模拟实际的隧道开挖过程,

对开挖过程中的围岩应力场和位移场进行分析研究,可以为隧道的结构设计和工程施工提供参考。 关键词:公路隧道 数值模拟 隧道围岩 一、提要

近十年来,我国高等级公路建设取得了突飞猛进的发 展,伴随而来的是公路隧道的建设也取得了超常规快速发 展。由于缺少相关施工经验,对不同条件下(地质条件、 洞室大小、施工方法、支护条件等)公路隧道开挖[4] 前后, 围岩应力分布的时空特征认识不清,从而导致围岩压力计 算在很多情况下不准确,进而引起衬砌结构设计、隧道施 工的失误,最终导致重大经济损失。

随着计算技术、岩土工程的理论与工程实践研究的发 展,许多新的数值计算方法[5][6] 在隧道工程中得到广泛的 应用,如今数值模拟[7][8] 已经是解决不同岩体结构、围岩 与支护相互作用、隧道围岩压力、围岩应力与变形、围岩破 坏过程与破坏机制的主要方法。本文采用有限元非线性分析 公路隧道的方法,应用弹塑性力学理论[10],在每次加载迭 代后,用弹塑性的屈服准则判断每个单元是否破坏后,再对

整体刚度矩阵进行修改,更好的反映出岩体的高非线性,系 统直观的对不同条件下公路隧道开挖后围岩应力分布和变形 进行分析,对于工程实践能够起到一定的指导作用。 二、隧道围岩的弹塑性本构模型

可将隧道围岩看成理想弹塑性材料,可以采用莫尔

库仑模型模拟围岩的本构关系。莫尔-库仑模型屈服函数为, (1)

式中:,c,φ 分别为材料的

粘聚力和内摩擦角。j、p和θ 分别为偏应力,平均有效应 力和洛德角。

f>0,时材料为弹性状态,f=0时,材料进行如塑性 阶段,f<0的情况是不存在的。

可以采用不相关联的流动法则,假定塑性势函数与屈 服面相似,用ψ 代替φ 即可,塑性势函数为 (2)

式中:,ψ 为剪胀角。

于是得到隧道围岩的本构矩阵为, (3)

如果φ=ψ,式(1)与式(2)相同,是相关联情况;

当ψ<φ 时,是不相关联情况,随着ψ 降低,土体剪胀量 也逐渐减少。如果ψ=0,则不产生塑性体积应变。 这样莫尔-库伦模型需要五个参数,其中三个参数,c, φ,ψ 控制着材料的塑性变形;另外两个参数,e和μ 控 制着材料的弹性变形。如果假设相关联的流动法则,只需 四个参数,因为φ=ψ。 三、隧道围岩开挖的数值模拟

本文采用的有限元分析软件是abaqus。abaqus[40] 是一套功能强大的基于有限元法的工程模拟软件,其解决 问题的范围从相对简单的线性分析到最富有挑战性的非线 性模拟问题[41]。

数值模型的边界条件及荷载按以下步骤处理:1.巷道 问题符合平面应变问题。本文的数值计算均作为平面应变 问题来处理;2.为消除边界效应,模型取足够大的尺寸, 隧道处于模型的中心。隧道开挖的影响范围一般为隧道直 径的3 ~ 5 倍。因此本模型的尺寸取隧道直径的5 倍,隧 道位于正中央;3.根据隧道理论,在自重应力条件下,模 型的左右边界施加水平方向的约束,在模型的底部施加水 平和垂直方向的约束。 1. 隧道围岩的材料属性

以四车道v 级围岩以台阶法开挖方式为例介绍分析过