地下工程数值分析讲座.pptVIP

北京交大隧道中心 地下工程数值分析讨论 张振刚 北京交通大学隧道中心 介绍 本次讨论的主题是介绍数值分析在地下工程中的应用，重点介绍 “2D-sigma”隧道专业软件和 “理正深基坑支护结构设计软件F-SPW”软件。 首先讨论隧道方面应用 目的：回顾数值分析和隧道力学的基本概念，对隧道数值分析有一个基本概念。对数值模拟方法有初步了解。 听众：工程界的精英，具有丰富的现场经验。 议程 1.介绍数值分析的基本概念 2.介绍隧道力学基本概念 3.有限元原理基本概念 4.介绍“2D-sigma”软件的使用方法 概述 计算软件的定位 数值分析，隧道力学，有限元， “2D-sigma”软件。 词汇 数值分析、有限元、隧道力学 “荷载-结构模型” ，“地层有限元模型” 应力、应变、变形、内力 物理世界、数学模型、有限元模型 一、数值分析的基本概念 采用数值计算的方法模拟真实世界，从而给出一定精确程度的预测。重点包括解析方法和有限元方法。 对比：和解析方法相对。解析方法是通过分析物理世界的规律，直接得到变量的关系。 有效性：有效，但是不是完美的 包括：有限元、离散元、边界元等 1.1 数值分析在隧道应用现状 通用软件较多，尚不够理想 Ansysis,flac，2d-sigma等程序 Ansysis软件应用领域非常广泛，但目前地下工程应用不多，原因：版权问题，价格昂贵；计算结果不够理想；比较复杂，难以掌握 2d-sigma相对来说直观，不需要有限元的太多知识，计算结果可以。 1.2 2D-sigma 介绍 二、回顾隧道力学基本概念 回顾力学基本概念 回顾计算参数内容和意义 锚杆、喷层、分布开挖等意义 2.1隧道力学研究内容 阐述隧道在施工过程中的力学机理，阐述隧道施工过程中岩土体力学性质变化的规律，阐述锚杆、喷层、开挖步骤等参数对隧道稳定性和安全性的影响的科学。 特点：地层是结构的一部分，荷载不明确 力学机理 改变原有应力状态，达到新的平衡。在寻求新的平衡过程中，要释放原始内力，隧道位置处的内力转移：1、结构；2、通过变形转移到围岩中。 围岩是荷载同时也是结构，荷载和隧道埋深、围岩类别、施工过程有关。 锚杆机理 悬吊作用 组合梁作用 承载拱作用 喷层作用 封闭掌子面，不扰动土体，保持三向受力状态。 开挖步骤 台阶法与全断面的区别。 台阶法上台阶支护承受下台阶开挖时的应力释放。 岩土力学变化规律 首先释放原始应力，临空面由原始应力降低到零，周围土体变形形成承载拱抵消一部分内力。 支护时间不同，荷载不同。 支护时机选择就是利用围岩的自身承载能力进行设计。 2.2 隧道分类 山岭隧道和城市地铁隧道 海峡隧道、沉管隧道、冻土隧道、溶岩隧道 矿山法、盾构法、TBM法、沉管施工、浅埋暗挖法 山岭隧道 1.稳定性，包括短期稳定和长期稳定性；2.变形，短期和长期变形不得超过限界 分析项目：隧道稳定性判定，变形量确定。 提取内容：隧道施工过程中围岩中的应力状态，隧道洞体的收敛、变形，支护的内力。 分析方法：结合软件介绍。 城市地铁隧道 1.设计施工重点：对周围环境影响。 2.建筑和管线等对变形承受能力有限值 3.分析项目：环境变形量确定，支护内力。 4. 提取内容：隧道施工过程中地层中的应力状态，隧道洞体的收敛、变形，周围建筑及管线的变形。 分析方法：结合软件介绍。 2.3计算模型分类 荷载结构模型：可以计算支护系统的内力，但是不能计算施工过程中围岩的位移。 地层有限元模型：可以计算支护系统内力，也能计算施工过程中围岩的位移。 “荷载-结构模型” 有限元分析中，将荷载和结构分离出来。 例子：sap程序来计算隧道管片内力。将土层、水的作用作为荷载作用在衬砌结构上，从而得到明确的荷载内力，从而进行结构设计。 应用范围：在结构方面应用很广，比较成熟。 地层有限元模型 将地层和结构一并考虑。 例子：用2d-sigma计算地铁隧道施工对地面建筑影响。 应用现状：基坑方面应用较早，隧道领域起步不久，尚在发展。 三、有限元原理及隧道中意义 有限元原理 回顾计算变量内容和意义 物理世界抽象为有限元计算模型 介绍2d-sigma的内容 3.1有限元基本概念 采用计算技术来求解微分方程，从而寻求物理世界中各个变量的关系 精确程度决定于模型模拟真实世界的程度、计算参数与真实参数的接近程度、计算要求的精度。 应用现状：非常广泛，但是在隧道尚不够理想。 有限元的控制方程（微分方程） 平衡方程 本构方程 几何方程 求解方法 边界复杂，求解区域不规则性 加权残数法 有限元法 3.2 物理变量意义 变形：拱顶下沉、拱腰收敛、边墙收敛、建筑沉降、围岩变形等。 应力：单位面积上的力；可以用x,y,z三个方向的应力来描述，或者大、中、小主应力来描述 应变：单位长度上的变形