隧道力学作业Ansys数值模拟不同埋深隧道的围岩应力
Ansys数值模拟不同埋深隧道的围岩应力
1.理论基础
围岩在隧道开挖过程中会经历三种应力状态，依次为初始应力状态、二次应力状态和三次应力状态。
（1）初始应力状态
初始应力状态，又称一次应力状态，泛指隧道开挖前的岩体的初始静力场，它的形成与岩体的构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有密切关系。
（2）二次应力状态
隧道开挖后，导致围岩应力重新分布，此时称为二次应力状态。（3）三次应力状态
隧道开挖后围岩应力进行了重分布，当修筑衬砌并达到稳定时围岩应力状态称之为三次应力状态。
2.计算实例
现对一平地进行开挖，开挖半径5m（拱形），拟定三种不同埋深13.25m、30m、50m。利用ansys数值模拟山体的原始应力场以及开挖后不加支护的应力状态。围岩属性见下表：
3.输出结果
（1）初始地应力场
图1.1第一主应力状态
图1.2第三主应力状态
图1.3应力矢量图
（2）拱形隧道、13.25m埋深
图2.1第一主应力状态
图2.2第三主应力状态
图2.3应力矢量图
（3）拱形隧道、30m埋深
图3.1第一主应力状态
图3.2第三主应力状态
图3.3应力矢量图
（4）拱形隧道、50m埋深
图4.1第一主应力状态
图4.2第三主应力状态
图4.3应力矢量图
4.总结
随着隧道的日益增多,隧道的绝对埋深越来越大,与隧道埋深有关的问题也越来越多，此次作业正是通过ansys模拟不同埋深隧道的应力状态情况。
由图可得，在原始应力状态下，围岩应力呈层状分布。开挖过后，坑道附近围岩应力开始出现明显变化，13m埋深的时候，顶部和底部都出现了拉应力，30m埋深和50m埋深的时候拉应力逐渐消失，呈受压状态。同时随着埋深的增加，隧道顶部、底部、侧壁所受的压应力也在增加，同时应该意识到，侧壁处在较大的压应力作用下是造成侧壁剪切破坏或岩爆的主要原因之一，而且，常常是整个隧道丧失稳定的主要原因，在设计中我们应该予以足够的重视。
隧道ansys计算程序算例——荷载结构模式
选取新建铁路宜昌(宜)－万州(万)铁路线上的别岩槽隧道某断面,该断面设计单位采用的支护结构如图3-3所示。为保证结构的安全性,采用了荷载—结构模型,利用ANSYS对其进行计算分析。 主要参数如下: ●隧道腰部与顶部衬砌厚度就是65cm,隧道仰拱衬砌厚度为85cm。 ●采用C30钢筋混凝土为衬砌材料。 ●隧道围岩就是Ⅳ级,洞跨就是5、36米,深埋隧道。 ●隧道仰拱下承受水压,水压0、2MPa。 图3-3 隧道支护结构断面图 隧道围岩级别就是Ⅳ级,其物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-3所示。 表3-3 物理力学指标 名称容重 γ(3 /m kN) 弹性抗力系数 K(MPz/m) 弹性模量 E(GPa) 泊松比 v 内摩擦角 ?(。) 凝聚力 C(MPa) Ⅳ级围岩22 300 1、5 0、32 29 0、35 C30钢筋25 - 30 0、2 54 2、42
混凝土 表3-4 荷载计算表 荷载 种类 围岩压力结构自重水压 N/m3垂直匀布力N/m3水平匀布力N/m3 值80225 16045 通过ANSYS添加200000 根据《铁路隧道设计规范》,可计算出深埋隧道围岩的垂直匀布力与水平匀布力。对于竖向与水平的分布荷载,其等效节点力分别近似的取节点两相临单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布荷载的总与。自重荷载通过ANSYS程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水压0、2MPa按照径向方向载置换为等效节点力,分解为水平竖直方向加载。 3、3、3 GUI操作方法 3、3、3、1 创建物理环境 1) 在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【ANSYS10、0】/【ANSYS Product Launcher】,得到“10、0ANSYS Product Launcher”对话框。 2)选中【】,在“Working Directory”栏输入工作目录“D:\ansys\example301”,在“Job Name”栏输入文件名“Support”。 3)单击“RUN”按钮,进入ANSYS10、0的GUI操作界面。 4)过滤图形界面:Main Menu> Preferences,弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框,选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。 5)定义工作标题:Utility Menu> File> Change Title,在弹出的对话框中输入“Tunnel Support Structural Analysis”,单击“OK”,如图3-4所示。 图3-4 定义工作标题 6)定义单元类型:Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete,弹出“Element Types”单元类型对话框,如图3-5所示,单击“Add”按钮,弹出“Library of Element Types”单元类型库对话框,如图3-6所示。在该对话框左面滚动栏中选择“Beam”,在右边的滚动栏中选择“2D-elastic 3”,单击“Apply”,定义了“Beam3”单元。再在左面滚动栏中选取“Combination”,右边的滚动栏中选择“Spring-damper 14”,如图3-7所示。然后单击“OK”按钮,这就定义了“Combin14”单元,最后单击图3-5单元类型对话框中的“Close”按钮。
ANSYS地铁明挖和暗挖隧道施工过程仿真分析
8.1普通暗挖法施工三维数值模拟分析 8.1.1 有限元模型建立 1．启动程序 /TITLE，Mechanical analysis on sectional metro tunnel based on mine method ! 确定分析标题 /NOPR !菜单过滤设置 /PMETH，OFF，0 KEYW，PR_SET，1 KEYW，PR_STRUC，1 !保留结构分析部分菜单 2．单元参数和几何参数定义 （1）定义相关几何参数。 Fini iu /cle *set,x1,-12 !以下为面2的几何参数，该面为矩形，最左下角顶点 !坐标为x1和y1，矩形的宽度为w1、高为h1。 *set,y1,-12 !所有长度单位为m *set,w1,28.9 *set,h1,30.15 *set,x2,-25 !面3的几何参数 *set,y2,-12 *set,w2,13 *set,h2,30.15 *set,x3,16.9 !面4的几何参数 *set,y3,-12 *set,w3,13 *set,h3,30.15 *set,x4,-25 !面5的几何参数 *set,y4,-30 *set,w4,54.9 *set,h4,18 *set,th,0.4 !支护结构的厚度 *set,length_z,50 !隧道纵向的长度，这里为了简化计算，只是说明应用情况， !取纵向长度为50m，每天开挖5米，10天施工完成。 （3）定义单元类型、实常数、材料属性。 /prep7 et,1,mesh200,2 !3-D线单元2节点
第1章大型有限元软件ANSYS简介2 et,2,mesh200,6 !3-D面单元4节点 et,3,SHELL63 !用于模拟支护结构的壳单元 et,4,SOLID45 !用于模拟围岩的三维实体单元 r,1,th !壳单元的厚度，单位 ！定义材料属性 mp,ex,1,3.0e10 !支护结构材料属性，弹性模型，单位Pa mp,prxy,1,0.2 mp,dens,1,2700 mp,ex,2,2.5e8 !围岩材料属性 mp,prxy,2,0.32 !泊松比，无单位 mp,dens,2,2200 mp,ex,3,2.5e8 !开挖部分土体的材料属性与围岩材料一样mp,prxy,3,0.32 mp,dens,3,2200 !材料密度，单位kg/m3 save !保存数据库 3．建立几何模型 （1）创建隧道支护结构上的关键点。 k,,0,0 !关键点的序号暗默认值从小到大递增，坐标为0和0 k,,0,3.85 k,,0.88,5.5 k,,2.45,6.15 k,,4.02,5.5 k,,4.9,3.85 k,,4.9,0 !创建的关键点如图8-7所示。 Save !保存数据库 （2）创建隧道支护结构线和被挖去部分土体面。 larc,1,2,6,8.13 !由两个端点（K1和K2），曲率中心上的任意一点（K6）以及 !半径8.13m生成一条弧线 larc,2,3,6,3.21 larc,3,4,6,2.22 larc,4,5,2,2.22 larc,5,6,2,3.21 larc,6,7,2,8.13 larc,7,1,4,6 a,1,2,3,4,5,6,7 !由7条圆弧线生成被挖去部分土体面，如图8-8和图8-9所示。Save !保存数据库 （3）创建围岩面。 Blc4,x1,y1,w1,h1 !创建面2，创建矩形截面！ Blc4,x2,y2,w2,h2 !创建面3 Blc4,x3,y3,w3,h3 !创建面4 Blc4,x4,y4,w4,h4 !创建面5
高地应力深埋隧道施工过程中围岩应力分布规律数值模拟分析
高地应力深埋隧道施工过程中围岩应力分布规律数值模拟分析 隧道工程是现代城市建设中不可或缺的重要部分，隧道施工过程中，高地应力深埋隧 道的围岩应力分布规律对隧道的稳定性和安全性具有重要的影响。为了更好地了解高地应 力深埋隧道围岩的应力分布规律，本文对其进行了数值模拟分析。 一、背景介绍 隧道施工是一项复杂的工程，隧道工程在山区的施工中，常常需要面对高地应力和深 埋等困难条件。高地应力指的是地下岩层深埋时所受的应力，通常会对隧道施工和隧道使 用阶段产生重要的影响。了解高地应力深埋隧道围岩的应力分布规律对隧道的设计与施工 至关重要。 二、数值模拟分析 在本文的模拟分析中，我们选取了某高地应力深埋隧道的典型截面进行研究。我们采 集了该隧道的地质勘探数据，包括围岩岩性、围岩主要参数等。然后，我们建立了隧道施 工过程中的三维有限元模型，考虑了地表载荷和隧道围岩的不均匀性等因素。 接下来，我们采用数值模拟方法对隧道围岩在不同深埋条件下的应力分布规律进行了 分析。通过模拟计算隧道施工过程中的围岩受力情况，我们得出了围岩的应力分布规律， 并结合地质勘探数据对比分析了模拟结果的合理性。 三、结果分析 经过数值模拟分析，我们得出了高地应力深埋隧道围岩应力分布规律的数值模拟结果。我们发现，在隧道施工过程中，围岩应力随深埋深度的增加而增大，并且存在一定的应力 集中区域。地表载荷和隧道开挖对围岩应力分布也具有重要影响。 结合地质勘探资料我们发现，数值模拟结果与实际情况相符，证明了数值模拟方法在 研究高地应力深埋隧道围岩应力分布规律中的可行性和有效性。 四、结论和展望 通过本文的数值模拟分析，我们深入了解了高地应力深埋隧道围岩的应力分布规律。 我们的研究结果为相关工程实践提供了重要的参考和指导，有助于优化隧道设计、施工和 运营。 在未来的研究中，我们将继续深入探讨高地应力深埋隧道围岩的应力分布规律，结合 更多的隧道工程案例进行验证，进一步完善数值模拟方法，为隧道工程的安全和稳定提供 更加可靠的技术支持。我们也将探索隧道围岩的支护和加固方法，为隧道施工过程中的困 难和挑战提供更科学的解决方案。
ANSYS学习的一些心得--隧道开挖的有限元分析
由于水平有限，不足之处，敬请谅解！ ANSYS学习的一些心得--隧道开挖的有限元分析 推荐的基本参考用书 1.《ANSYS7.0基础教程与实例详解》或《ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详 解》，都是“中国水利水电出版社”的 如果要系统地学，最好从基础学起，后面我会具体介绍一下我学习中的一些小小的经验和体会。 2.李权.ANSYS在土木工程中的应用.人民邮电出版社，2005 这本书讲的都是实例，基本囊括土木工程中的所有项目，针对每一个实例的操作步骤写的也比较详细。初学者可以照着练习，但对打基础帮助不大。关于隧道的那一节，书上的例题考虑材料属性时将岩土简单的设成线性的，而实际工程往往要用非线性来考虑，这就需要再输入材料属性的时候注意了，将岩土材料考虑成弹塑性时，一般材料用Drucker-prager(D-P)屈服条件来输入，具体是在Mainmenu>preprocessor>Material props> MaterialModels,在弹出的对话框中双击structure>Nonliner>Inelastic>Non-metalPlasticity >Drucker-prager，在弹出的对话框中输入粘聚力（cohesion）和内摩擦角(fric angle)，如直接输这两个参数，ansys会提示先输入弹性模量以及泊松比，照常输入弹模和泊松比后即可输入C和φ。 3.ANSYS土木工程应用实例，中国水利水电出版社 这本书有很多命令流的介绍，还有一些分析方法的介绍，对后期学命令流操作还是很有用的。要学习ANSYS的命令流，有这本书帮助会很大。 4.《ANSYS9.0经典产品高级分析技术与实例详解》中国水利水电出版社。 这本书介绍了参数化（APDL）有限元分析技术，优化设计，单元生死技术等，是在学习的提高阶段不错的一本书，在做隧道的开挖模拟时，单元生死技术是很关键的，该书的第四篇对单元生死技术有比较详细的讲解，另外还有个基坑开挖的实例，跟隧道的开挖其实也是同出一辙。 推荐的一个比较好的论坛：https://www.360docs.net/doc/0d19500605.html, ANSYS自带的help里可以找到所有的命令方式，所以遇到不懂的命令可以到里面查！
隧道围岩稳定性的三维数值模拟与分析
隧道围岩稳定性的三维数值模拟与分析 隧道围岩稳定性的三维数值模拟与分析 摘要：本文采用数值模拟方法对隧道围岩的稳定性进行了三维模拟与分析，考虑了岩体的各向异性、接触参数、应力演化等因素，并 根据模拟结果对隧道施工中的围岩控制提出了建议。 关键词：隧道，围岩稳定性，三维数值模拟，岩体各向异性，接触参数，应力演化 1.引言 隧道作为人类交通运输和地下工程的重要载体，已经成为现代城市建设的重要组成部分。隧道施工中，隧道围岩的稳定性直接关系到 隧道的安全和持久性，因此对隧道围岩进行稳定性分析是保证隧道工 程质量的基础和前提。 现代数值模拟方法已经成为分析和研究地下工程的重要手段。数值模拟方法不仅可以模拟岩石围岩在不同应力状态下的变形与破裂过程，还可以对隧道施工过程中的岩石控制进行仿真分析，提供重要的 技术支持。 本文采用数值模拟方法对隧道围岩的稳定性进行了三维模拟与分析，探讨了岩体的各向异性、接触参数、应力演化等因素对围岩稳定 性的影响，并提出了相应的围岩控制建议。 2.数值模拟方法 本文采用了基于有限差分法的FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）三维数值模拟方法。FLAC软件结合了流体动力学和结构力学理论，可以模拟几乎所有材料在单轴和三轴应力状态下的力学行为。 将FLAC进行了相应的参数化和网格剖分，建立了隧道围岩的三 维模型。模拟过程中，考虑了岩体的各向异性、接触参数、应力演化 等因素，并通过模拟结果对围岩稳定性进行了分析。 3.数值模拟结果
根据模拟结果，本文得出了以下三个结论： 首先，岩体的各向异性是影响岩石围岩稳定性的重要因素之一。 山体斜坡方向、裂缝和岩体的结构构造等特征将导致岩石围岩的性质 发生变化，从而影响岩石围岩的稳定性。 其次，接触参数对围岩稳定性的影响是显著的。通过对接触参数 的调整，可以有效地改善岩石围岩的稳定性。例如，增加摩擦力和接 触刚度等参数，可以减少岩石围岩的变形和破裂。 最后，应力演化是影响围岩稳定性的另一个重要因素。通过对不 同区域的应力演化过程进行分析，可以有效地评估薄弱区域的稳定性，并采取相应的围岩控制措施。 4.围岩控制建议 根据模拟结果，本文提出了以下三个围岩控制建议： 首先，合理设计隧道的方向和交界点，尽量避开具有较强各向异 性的区域。在山体斜坡陡峭的区域，应尽可能将隧道的方向设置为与 斜坡接近垂直的方向。 其次，调整接触参数，对岩石围岩进行控制。适当增加摩擦力和 接触刚度等参数，可以有效地减少岩石围岩的变形和破裂。 最后，根据应力演化分析结果，对薄弱区域进行加固和支护，保 证隧道围岩的整体稳定性。在需要进行爆破或开挖的区域，应采取合 理的爆破方法和支护措施，避免对围岩造成过大影响。 5.结论 本文采用数值模拟方法研究了隧道围岩的稳定性，并针对岩体的 各向异性、接触参数、应力演化等因素对围岩稳定性的影响进行了探讨。通过对不同区域的应力演化过程进行分析，提出了相应的围岩控 制建议。结果表明，数值模拟方法可以有效地模拟隧道围岩的力学行为，对围岩控制具有重要的参考价值。
复杂断面洞室围岩应力数值模拟分析
复杂断面洞室围岩应力数值模拟分析 摘要：本文对复杂断面洞室围岩的应力数值模拟进行分析，首先简要介绍了研究背景和目的，接着列举了模拟过程中所使用的关键词，然后重点阐述了数值模拟的具体过程和结果，最后对结果进行了讨论并总结了结论。 引言：随着地下空间利用的日益广泛，复杂断面洞室围岩的应力数值模拟已成为工程实践中重要的研究课题。本文旨在通过对复杂断面洞室围岩进行数值模拟分析，为工程实践提供理论支持和技术指导。 关键词：复杂断面洞室，围岩，应力，数值模拟，有限元法 数值模拟分析：本文采用有限元法对复杂断面洞室围岩进行数值模拟分析。根据工程实际建立物理模型，包括断面形状、围岩材料等特征。然后，利用ANSYS软件实现网格划分、边界条件设置等数值模拟过程。在分析过程中，重点考虑围岩的力学性质、断面形状对围岩应力的影响等因素。 结果及其讨论：通过数值模拟分析，本文得到了不同断面形状、围岩材料等条件下的围岩应力分布情况。结果表明，断面形状对围岩应力有显著影响，圆形断面表现出较低的围岩应力水平，而矩形断面则表
现出较高的应力水平。同时，围岩材料的力学性质对围岩应力分布也有一定影响。在相同条件下，硬质围岩表现出较高的应力水平，而软质围岩则表现出较低的应力水平。 在讨论中，本文进一步分析了这些结果产生的原因，并从工程实践的角度出发，对这些结果进行了评估。结果表明，对于复杂断面洞室的应力分析，需要充分考虑断面形状和围岩材料的影响。在实际工程中，可以通过优化断面形状、选择合适的围岩加固措施等方法来降低围岩应力水平，提高工程的安全性和稳定性。 总结：本文对复杂断面洞室围岩的应力数值模拟进行分析，通过有限元法建立了物理模型并进行了数值模拟过程。结果表明，断面形状和围岩材料对围岩应力有显著影响。对于圆形断面，其围岩应力水平较低，而对于矩形断面，其围岩应力水平较高。硬质围岩表现出较高的应力水平，而软质围岩则表现出较低的应力水平。这些结果对于复杂断面洞室的设计和施工具有一定的指导意义。 然而，本文仅仅考虑了断面形状和围岩材料对围岩应力的影响，未来研究可以进一步探讨其他因素的影响，如地下水压力、地层厚度等。可以考虑开展现场监测和实验研究，以验证本文数值模拟结果的可靠性。通过对复杂断面洞室围岩的应力数值模拟进行分析，有望为地下
ANSYS软件对公路隧道溶洞数值模拟探究
ANSYS软件对公路隧道溶洞数值模拟探究 1.前言 目前隧道已經成为我国山区道路建设的首选方案。然而我国是一个岩溶较多的国家。岩溶地区的地质条件往往十分复杂，因此隧道施工过程中洞顶坍塌的部位和时间很难预测，严重威胁工程安全。 目前国内外在这方面做了一些研究：吴梦军等针对岩溶地区公路隧道施工力学响应问题，进行了一系列大型相似模型试验以及数值模拟研究，探讨了溶洞发育程度和位置对隧道施工力学响应的影响，总结了岩溶地区隧道围岩位移场和塑性区的分布规律[1]；史世雍等利用数值模拟方法对不同尺度顶部溶洞对夏家庙隧道围岩位移和应力的影响进行了分析[2]；莫阳春等利用有限差分软件FLAC3D 对隧道施工过程中，隧道侧部含有溶洞的围岩变形特性进行了数值模拟研究，探讨了隧道侧部不同大小、不同距离的溶洞分布对隧道围岩变形的影响[3]；宋战平等结合山岭隧道新奥法的施工现状，首次提出了隧道位移空间效应的先期位移、开挖瞬时释放位移、前期位移、和后期位移的概念[4]。 2.工程概括 重庆地区某公路隧道为分离式隧道，隧道全长2517.4m，洞净宽和净高分别为9.75m和7.0m，设计坡度为-2.60%，隧道最大埋深300m。隧道轮廓设计图如图2.1所示。 在隧道左线施工过程中发现一巨型溶洞，与隧道轴线约45°斜交，沿线路方向跨度约173m，顶部位于隧道路面以上70m处。针对此工程问题，提出两种改线治理方案： ②左线右偏、右线不变（间距4.6m）； ②左线右偏、右线右偏（间距20m）； 3.数值模拟研究 根据改线方案，利用有限元分析软件ANSYS对左洞开挖过程进行分析。通过提高材料参数的方法模拟锚杆对周围岩体的加固作用，采用平面4节点单元plane42模拟围岩和加固圈，采用2节点梁单元beam3来模拟隧道混凝土衬砌。
隧道结构力学分析计算书
有限元基础理论与 ANSYS应用 —隧道结构力学分析 专业： 姓名： 学号： 指导教师： 2014年12月
隧道结构力学分析
目录 目录 (2) 1. 问题的描述........................................................... 错误!未定义书签。 2. 建模....................................................................... 错误!未定义书签。 2.1 定义材料......................................................................... 错误!未定义书签。 2.2 建立几何模型................................................................. 错误!未定义书签。 2.3 单元网格划分 (5) 3. 加载与求解 (6) 3.1 施加重力加速度 (6) 3.2 施加集中力、荷载位移边界条件 (6) 4. 后处理 (8) 4.1 初次查看变形结果 (8) 4. 2 除去受拉弹簧网格.............. (9) 4.3 除去弹簧单元网格 (10) 4. 4 查看内力和变形结果 (11) 4. 5 绘制变形图 (12) 5. 计算结果对比分析 (14) 6. 结语 (14) 7. 在做题过程中遇到的问题及解决方法 (16) 8. 附录 (16)
山岭隧道结构力学分析 1.问题的描述 已知双线铁路隧道总宽为13.3米，高为11.08米，以III级围岩深埋段为例，隧道而衬厚度为35cm，带仰拱，采用钢筋混凝土C30，其重度为=25kN/m3，弹性模量为31GPa，泊松比为0.2，。该段该隧道的埋深为5米，围岩平均重度为23kN/m3,侧压力系数为0.3，计算围岩高度为6.588m，地层弹性抗力系数为500MPa/m。 试分析结构的应力和变形 图1双线铁路隧道断面（cm）
复杂断面洞室围岩应力数值模拟分析
复杂断面洞室围岩应力数值模拟分析 一、本文概述 随着地下工程建设的快速发展，复杂断面洞室在水利、交通、矿山等领域的应用越来越广泛。然而，复杂断面洞室围岩应力分布规律复杂，对洞室稳定性影响大，因此对其进行数值模拟分析具有重要的理论和实践意义。本文旨在通过数值模拟方法，深入研究复杂断面洞室围岩应力分布规律，为洞室设计和施工提供科学依据。 本文将对复杂断面洞室围岩应力数值模拟的基本理论和方法进行阐述，包括有限元法、离散元法、有限差分法等数值分析方法的原理和适用范围。根据具体工程背景，建立复杂断面洞室数值分析模型，并对模型的合理性进行验证。接着，通过对不同工况下的围岩应力分布进行模拟分析，揭示复杂断面洞室围岩应力的变化规律。根据模拟结果，提出相应的工程优化建议，为实际工程提供指导。 本文的研究不仅有助于深化对复杂断面洞室围岩应力分布规律的认识，还可以为地下工程的设计、施工和安全管理提供科学依据，具有重要的理论价值和实际应用意义。 二、数值模拟方法概述
在复杂断面洞室围岩应力分析中，数值模拟方法发挥着至关重要的作用。通过构建三维地质模型，可以精确地模拟洞室周围的岩石力学行为，包括应力分布、变形特性和破坏模式等。本文采用的数值模拟方法主要包括有限差分法、有限元法和离散元法等。 有限差分法是一种基于差分原理的数值方法，通过将连续体离散为差分网格，利用差分方程近似代替微分方程，从而求解复杂断面洞室围岩的应力场。该方法具有计算速度快、内存消耗小等优点，特别适用于大规模工程问题的快速分析。 有限元法是一种基于变分原理的数值方法，通过将连续体离散为有限个单元，建立每个单元的力学方程，并通过节点连接形成整体刚度矩阵，最终求解出洞室围岩的应力分布。有限元法能够较好地模拟材料的非线性行为和复杂边界条件，因此在复杂断面洞室围岩应力分析中得到了广泛应用。 离散元法是一种基于块体离散思想的数值方法，它将岩石介质视为由一系列离散块体组成，通过模拟块体之间的相互作用和运动规律，揭示洞室围岩的应力传递和破坏机制。离散元法特别适用于模拟节理、断层等不连续面对洞室围岩应力的影响。 在本文的数值模拟分析中，我们将根据具体的研究目标和工程背景，
隧道超挖的围岩力学响应数值模拟分析
隧道超挖的围岩力学响应数值模拟分析 摘要：以勐松一号隧道为研究对象，对隧道段开挖过程进行数值模拟，研究了 隧道埋深及超挖对围岩力学响应的影响规律，研究分析表明：①在不同埋深下，围岩等效应力最小值出现在拱顶位置，等效应力最大值出现在拱脚位置；②隧道洞身拱顶位置收敛变形量最大，拱脚位置变形量往往最小；③在相同埋深条件下，相同超挖对应的等效应力值随埋深增加而不断增大；同一位置围岩的变形量随埋 深的增加而增大。 关键词：隧道；隧道超挖；数值模拟；隧道变形 1.引言 随着我国铁路工程技术的快速发展，长大隧道施工也越来越多，由于云南地 区围岩地质条件复杂，岩质情况变化较快，面临的各种各样的问题也会越来越多，超欠挖已成为影响施工质量其中的关键性因素之一。基于激光轮廓分析技术建立 的隧道轮廓质量指数（TCI），认为TCI建立在激光剖面的基础上技术可用于更有 效地管理隧道轮廓质量。借助有限元软件程序，数值模拟得出超欠挖部位应力集 中的数值解和塑性区的影响范围；计算发现隧道超欠挖数值分形维数与节理间距 呈相应的线性关系；用有限元方法得出超挖值与深度对隧道整体自稳性的数量关系。本文从工程实际的地质情况出发，结合现有的标准规范和研究成果，在不同 工况下在结合不同的隧道超欠挖形式，利用有限元软件，对不同类型的工况进行 模拟和计算，利用数值模拟的方法，研究了隧道埋深和超挖厚度对围岩力学响应 的影响规律。 2.工程概况 勐松一号隧道进口里程DK415+446，出口里程DK418+160，全长2714m，隧 道最大埋深354m。以施工图为准：Ⅲ级围岩长1830m，占67.43%。Ⅳ级围岩总 长635m，占总长23.40%。Ⅴ级围岩总长249m，占9.17%。围岩岩性主要为砂岩 局部夹页岩、泥灰岩；页岩夹板岩、泥岩及薄层状灰岩。页岩夹泥岩结构、其节 理裂隙水较发育，具有吸水膨胀、软化的特征。区域内发育有旧龙老寨断层，交 洞身于DK416+210~DK416+240处，为正断层。夹杂断层破碎带长约25m，受岩体破碎影响作用，周围岩层节理层较发育，水系较大。地下水主要存在类型为基岩 裂隙水，下伏基岩破碎带，基岩裂隙水整体发育。 3.Ⅲ级围岩超挖的岩体力学反应数值模拟分析 根据设计图，隧道的断面形式按使用功能分为单车道，参数的选取见表1。 表1 围岩参数 隧道支护形式有二次衬砌结构、无二次衬砌结构。为了反应典型的开挖后毛 断面围岩受力变形情况，分别取双车道有二衬的Ⅲ、Ⅳ参数，采用FLAC-3D软件 建模计算分析。 4. Ⅲ级围岩开挖后断面数值计算模型建立 坑道直墙半圆拱形结构，断面宽度8.20m、边墙高3.00m，计算埋深分别为100、200、300、400、500m，计算围岩参数为理想弹塑性体材料，计算边界，边墙左右各12.0m，拱顶上、地板下各9m，见图1，划分网格的单元初始长度为 0.5m。 图1 计算模型边界图
盾构隧道结构ansys计算方法
一、盾构隧道结构计算模型 1、惯用法(自由圆环变形法) 惯用法的想法早在1960年就提出了，在日本国内得到了广泛的应用。惯用法假设管片环是弯曲刚度均匀的环，不考虑管片接头部分的柔性特征和弯曲刚度下降，管片截面具有同样刚度，并且弯曲刚度均匀的方法。这种方法计算出的管片环变形量偏小，导致在软弱地基中计算出的管片截面内力过小，而在良好地基条件下计算出的内力又过大。地层反力假设仅在水平方向上下45°范围内按三角形规律分布，这种模型可以计算出解析解。 P 0 k δ
2、修正惯用法 在采用惯用法的60年代，怎样评价错缝拼装效应是一个问题。如果错缝拼装管片，可弥补管片接头存在造成的刚度下降。于是，在对带有螺栓接头的管片环进行多次核对研究时，首次引入了η-ξ对错缝拼装的衬砌进行内力计算，即为修正惯用法。该法将衬砌视为具有刚度ηEI的均质圆环，将计算出的弯矩增大即（1+ξ）M，得到管片处的弯矩；将求出的弯矩减少即（1-ξ）M，得到接头处的弯矩。其中η称为弯曲刚度有效率，ξ称为弯矩增加率，它为传递给邻环的弯矩与计算弯矩之比。管片接头由于存在一些铰的作用，所以可以认为弯矩并不是全部经由管片接头传递，其一部分是利用环接头的剪切阻力传递给错缝拼装起来的邻接管片。 隧 道 纵 向 接头传递弯矩示意图
二、管片计算荷载的确定 1、荷载的分类 衬砌设计所考虑的各种荷载，应根据不同的地质条件和设计方法进行假定并根据隧道的用途加以考虑。衬砌设计所考虑的各种荷载见表所示。 衬砌设计荷载分类表
2、计算断面选择 ●埋深最大断面 ●埋深最小断面 ●埋深一般断面 ●水位 3、水土压力计算 对于粘性土层，如西安地铁黄土地层、成都地铁二号线膨胀土地 层等，地下水位以上地层荷载用湿容重计算，地下水位以下用饱和容重计算。 对于透水性较好的砂性地层，如西安地铁粗砂、中砂地层，成都 地铁卵石土地层等，此时地下水位以上地层荷载用湿容重计算，地下水位以下用浮容重计算。 水土压力合算与分算，主要影响管片结构侧向荷载。一般水土分算时侧向压力更大。 4、松弛土压力 将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑。其大小宜根据隧道的覆土厚度、隧道的断面形式、外径和围岩条件等来决定。考虑长期作用于隧道上的土压力时，如果覆土厚度小于隧道外径，一般不考虑地基的拱效应而采用总覆土压力。但当覆土厚度大于隧道外径时，地基中产生拱效应的可能性比较大，可以考虑在计算时采用松弛土压力，一般采用泰沙基公式计算。
最新ANSYS公路隧道二次衬砌受力分析
精品资料 A N S Y S公路隧道二次 衬砌受力分析 ........................................
课程设计任务书 题目公路隧道二次衬砌受力分析 学会利用ANSYS的功能分析隧道二次衬砌等一些相对复杂的结构，使对ANSYS的操作更加娴熟，更好的投入实际应用。 二、设计的内容及要求 设计内容：某高速公路隧道，采用矿山法施工，隧道V级围岩中。其围岩埋深为21.173m，隧道内断面轮廓如下图，采用C30混凝土，厚度为50cm。做出内力图，列出各单元内力值。《二衬荷载按照计算荷载的30%计算，并保留三位小数》 操作步骤： 1.1 指定工作文件名。 执行“开始→程序→ANSYS→ANSYS Product Launcher”菜单命令创建Job Name 为Mechanical analysis on permanent lining of tunnel in Express-way 1.2 定义分析标题 执行“Utility Menu→File→Change Title”菜单命令，在对话框中输入“Mechanical analysis on permanent lining of tunnel in Express-way”Main Menu→preferencers在弹出的菜单选择structural. 1.3定义单元类型 执行“Main Menu→Preprocess→Element Type→Add/Edit/Delete”然后执行：add→beam→2D elastic 3→OK；再Add→COMBIN→Spring-damper14→OK关闭窗口。 1.4定义单元实常数 执行Main Menu→Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete→add→ok→Type 1 BEAM3 →OK→Real Constant Set No.栏中输入1，在AREA栏输入0.5→在IZZ(惯性矩)栏输入0.5*0.5*0.5*/12→HEIGHT(高度)栏输入0.5→Apply;同理定义弹簧实常数k，100e6。
隧道开挖ansys模拟分析
隧道台阶法开挖的有限元模拟分析 1.力学模型的建立 岩体的性质是十分复杂的，在地下岩体的力学分析中，要全面考虑岩体的所有性质几乎是不可能的。建立岩体力学模型，是将一些影响岩石性质的次要因素略去，抓住问题的主要矛盾，即着眼于岩体的最主要的性质。在模型中，简化的岩体性质有强度、变形、还有岩体的连续性、各项同性及均匀性等。考虑岩石的性质和变形特性，以及外界因素的影响，采用的模型有弹性、塑性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等。 根据对隧道的现场调查及试验结果分析，围岩具有明显的弹塑性性质。因此，根据隧道的实际情况，考虑岩体的弹塑性性质，在符合真实施工工序和支护措施的基础上，在数值模拟过程中将计算模型简化成弹塑性平面应变问题，采用Drucker—Prager屈服准则来模拟围岩的非线性并且不考虑其体积膨胀，混凝土材料为线弹性且不计其非线性变形。 对地下工程开挖进行分析，一般有两种计算模型： （1）“先开洞，后加载” 在加入初始地应力场前，首先将开挖掉的单元从整体刚度矩阵中删除，然后对剩余的单元加入初始地应力场进行有限元计算。 （2）“先加载，后开洞” 这种方法是首先在整个计算区域内作用地应力场，然后在开挖边界上施加反转力，经过有限元计算得到所需要的应力、位移等物理量。 两种方法对线弹性分析而言，所得到的应力场是相同的，而位移场是不同的，模型（2）（即：“先加载，后开洞”）更接近实际情况。在实际地下工程开挖中部分岩体已进入塑性状态，必须用弹塑性有限元进行计算分析，而塑性变形与加载的路径有关，所以模拟计算必须按真实的施工过程进行，即在对地下工程开挖进行弹塑性数值模拟过程中，必须遵循“先加载，后开洞”的原则。 在有限元法中，求解非线性问题最常采用的方法是常刚度初应力法。对于弹塑性问题，由于塑性变形不可恢复，应力和应变不再是一一对应的关系，即应力状态与加载路径有关，因此应该用增量法求解。弹塑性应力增量与应变增量之间的关系可近似地表示为
隧道力学特征及数值模拟方法
2 隧道力学特征及数值模拟方法 2.1 隧道开挖生成的围岩二次应力场特征 岩体在开挖前处于初始应力状态，初始应力主要是由于岩体的自重和地质构造所引起的。在岩体进行开挖后改变了岩体的初始应力状态，使岩体中的应力状态重新分布，引起岩体变形甚至破坏。在这个时间工程中，地层应力是连续变化的，特别地，洞室开挖后在未加支护的情况下，地层应力所达到的新的相对平衡称为围岩的二次应力状态。 一般来说，二次应力场是三维场。在隧道施工过程中，横向的二次应力作用使得洞周围岩的应力状态和变形状态发生了显著的变化，可将洞周围岩从周边开始逐渐向深部分为4 个区域：（1）松动区由于施工扰动（例如施工爆破），区内岩体被裂隙切割，越靠近洞室周围越严重，其内聚力趋近于零，内摩擦角也有所降低，强度明显削弱，基本无承载能力，在重力的作用下，产生作用在支护上的松动压力。 （2）塑性强化区这一区域是围岩产生变形的根源。隧道开挖后破坏了地层的原状力线，在洞体四周产生了很高的应力集中，此时，该处只存在切向应力和指向隧道中心的径向不平衡力，切向应力由承载拱承担，而对于径向应力，毛洞是无法承担的，所以要释放（在有支护的情况下一部分被初期支护承担）。这就造成了洞体开挖后四周的围岩向隧道中心发生位移，周边的径向应力逐渐趋向零，而切向应力随着径向位移而增大。这一应力状态的变化导致岩体从初始的二轴（这里只考察平面应力状态）受压状态转变为单轴受压状态，使得这一区域围岩处于非常不利的受力状态，当这一应力状态超过岩体的强度极限时，洞室周围出现了塑性区域或者破坏区域，产生塑性变形。如果洞室周围塑性区域扩展不大，随着径向位移的出现，地层塑性区域达到稳定的平衡状态，围岩没有达到承载能力的极限值；但是如果塑性区域继续扩展，则必须采取支护措施约束地层运动，才能保持洞室围岩处于稳定状态，这时为了阻止地层运动，就显出塑性变形压力。 (3) 弹性变形区域这一区域内岩体在二次应力作用下仍处于弹性变形状态，各点的应力都超过原岩的应力，应力解除后能恢复到原岩应力状态。其次，开挖面前方地层对已开挖区域的围岩有某种程度上的纵向支撑作用，即产生纵向的承载拱，承载拱的跨度约为一倍洞径。所以
第3章ANSYS隧道工程应用实例分析
第3章ANSYS隧道工程中的应用实例分析 本章重点 隧道工程概述隧道施工ANSYS模拟的实现 ANSYS隧道结构实例分析ANSYS隧道开挖模拟实例分析 本章典型效果图
3.1 隧道工程相关概念 3.1.1 隧道工程设计模型 为达到各种不同的使用目的，在山体或地面下修建的建筑物，统称为“地下工程”。在地下工程中，用以保持地下空间作为运输孔道，称之为“隧道”。由于地层开挖后容易变形、塌落或是有水涌入，所以在除了在极为稳固地层中且没有地下水的地方以外，大都要在坑道的周围修建支护结构，称之为“衬砌”。隧道工程建筑物是埋于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同作用。隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的，但长期以来都沿用适应地面的工程理论和方法来解决地下工程中所遇到的各类问题，因而常常不能正确地阐明地下工程中出现的各种力学现象和过程，是地下工程长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。这种局面与迅速发展的地下工程现实极不相称，促使人们努力寻找新的理论和方法来解决地下工程遇到的各种问题。 地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。在20世纪20年代以前，地下工程支护理论主要有古典的压力理论和散体压力理论，以砖、石头材料作为衬砌，采用木支撑或竹支撑的分部开挖方法进行施工。此时，只是将衬砌作为受力结构，围岩是看作载荷作用在衬砌结构上，这种设计理论过于保守，设计出的衬砌厚度偏大。20世纪50年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑性和粘弹性解答逐步出现。土力学的发展促使松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展，而岩石力学的发展则促使围岩压力和地下工程支护结构理论的进一步的飞跃。同时，锚杆和喷射混凝土的作为初期支护得到广泛应用。这种柔性支护允许开挖后的围岩有一定的变形，使围岩能够发挥其稳定性，从而可以大大地减小衬砌厚度。 国际隧道学会认为，目前采用的隧道设计模型主要有以下几种： ◆以工程类比为主的经验设计方法。 ◆以现场测试和实验室试验为主的实用设计方法（如现场和实验室的岩土力学试验、以 洞周围测量值为基础的收敛—约束法以及实验室模型试验等）。 ◆作用—反作用设计模型，即目前隧道设计常用的载荷—结构模型，包括弹性地基梁、 弹性地基圆环等。 ◆连续介质模型，包括解析法（封闭解和近似解）和数值法（以FEM为主）。 国际隧道学会于1978年成立了隧道结构设计模型研究小组，收集和汇总了各会员国目前采用的隧道工程设计模型，详见表3-1。 157 / 132