隧道工程 教学配套课件 戴俊 第14章 隧道工程数值模拟技术.pdfVIP

第14章 隧道工程数值模拟技术 14.1 ANSYS软件基本内容 14.2 隧道施工过程模拟 14.3 隧道支护设计的计算优化 14.1 ANSYS软件基本内容 14.1.1 ANSYS软件介绍 14.1.2 岩石材料的本构关系 14.1.3 常用的岩土材料屈服准则 14.1.1 ANSYS软件介绍 ANSYS软件是融结构、热、流体、电场、磁场、 声场分析于一体的大型通用有限元分析软件， 广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、铁 道、汽车交通、国防军工、航天航空、船舶、 机械制造、核工业、石油化工、轻工等一般工 业及科学研究之中。 14.1.2 岩石材料的本构关系 (1)线弹性模型 线弹性模型描述岩石材料在加载和卸载时，应力-应变呈线性关系。 (2)弹塑性模型 弹塑性模型描述岩石材料在加载过程中，应力-应变先呈线性关系， 当应力达到某一值(屈服应力)时，应力-应变开始呈非线性关系，称为初始屈服。 14.1.2 岩石材料的本构关系 图14-1 岩石材料应力-应变关系的典型试验曲线 a)砂岩 b)大理岩 14.1.2 岩石材料的本构关系 图14-2 弹塑性岩石材料的 应力-应变关系 图14-3 弹塑性模型 14.1.3 常用的岩土材料屈服准则 (1)Von Mises屈服准则 Von Mises屈服准则假定：屈服是由最大形状变形能(也称畸 变能)所引起。 (2)Mohr-Coulomb屈服准则 (3)Drucker-Prager屈服准则 Drucker-Prager(1952年)提出用内切于莫尔-库仑六棱 角锥体的曲面作为屈服准则，如14-5所示。 14.1.3 常用的岩土材料屈服准则 图14-4 莫尔-库仑强度准则 14.1.3 常用的岩土材料屈服准则 图14-5 Drucker-Prager 屈服准则屈服面 14.2 隧道施工过程模拟 14.2.1 施工模拟在ANSYS软件中的实现过程 14.2.2 浅埋偏压连拱隧道开挖模拟算例 14.2.1 施工模拟在ANSYS软件中的实现过程 1.模型的建立 2.边界条件和初始应力场 3.施工过程的模拟 4.锚杆的模拟 5.衬砌之间接触的模拟 14.2.2 浅埋偏压连拱隧道开挖模拟算例 1.工程概况 2.数值模型 3.开挖方法及施工工序 4.数值模拟结果分析 5.结论 1.工程概况 图14-6 隧道支护示意图(单位：cm) 2.数值模型 1)计算模型为弹塑性应变，围岩进入塑性的判断采用 Drucker-Prager 屈服准则，支 护体系在线弹性范围内变化。 2)岩体变形是各向同性的。 3)隧道受力变形为平面应变问题。 4)围岩的初始应力场由自重应力构成，不考虑构造应力的影响。 3.开挖方法及施工工序 图14-7 数值模型网格划分图 4.数值模拟结果分析 (1)围岩应力场 (2)中墙初期支护应力分析 本工程初期支护包括：管棚注浆+格栅钢拱+3.5m长砂浆 锚杆＋钢筋网+ 25cm 厚的C25 喷射混凝土，管棚注浆和锚杆采取提高围岩参数的办 法来解决，钢筋网及格栅钢拱采取提高喷射混凝土参数的办法来解决。 (3)衬砌结构应力分析 由图14-12、14-13和14-14所示为浅埋偏压连拱隧道由于开挖 顺序的不同，导致衬砌的最终应力分布及大小大不相同。 4.数值模拟结果分析 图14-8 内侧隧洞先开挖方案—