采用ABAQUS的隧道稳定性分析
Abaqus稳定性与屈曲—汇报篇2
（3）施加载荷
点击 （Create Boundary Condition）创建位移载荷， 施加Z方向大小为5的位移载荷。
（4）提交作业并分析 在分析步中勾选set-1的支反力和set-2的位移以及全 模型的能量输出，通过数据处理得到位移载荷图。
得到位移载荷图如下
位移-载荷图
0 0 -1000 -2000 -3000 -4000 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-5000
-6000 -7000 -8000
总能量图
显式有限元法
显式分析 问题描述
已知条件和前面相同，用显式分析方法求解该屈曲 例子，做出位移载荷图形。 求解步骤 （1）建立或导入模型，设置材料特性 （2）分析步 （3）设置单元集，绑定约束 （4）定义边界条件和载荷 （5）定义和划分网格 （6）求解和分析
用同样的方法，建立另一端的Set,取名Set-2
Module选择Iteracton,点击 （Create Constraint),选择 Coupling,分别定义两端建立的set点和所在截面的约 束。
（4）定义边界条件和载荷 建立T型轴右端的固定约束，类型选择位移转角，位 置选择Set-1.
点击主菜单中Tool中的Amplitude,创建类型选择 Tabular
线性屈曲分析
注意地方
线性分析 问题描述 如图所示的T型轴结构，轴长800mm，材料为铝，弹 性模量70GPa，泊松比0.3，求该轴的前4阶屈曲模态。
解决步骤
• • • • • • • 建立模型 定义材料 装配 分析步 边界条件及载荷 定义并划分网格 求解和分析
（1）建立模型
单击 ( Create Part）按钮，“实体”形式，“拉伸”方式
基于ABAQUS的地下隧洞开挖及围岩稳定性分析
基于ABAQUS的地下隧洞开挖及围岩稳定性分析都辉;任旭华;张继勋;吾克尔·吾买尔【摘要】以ANSYS为平台建立了有限元分析模型,采用ABAQUS作为计算和后处理软件,对工程区的地应力场开展了研究,分析了有断层贯穿的隧洞开挖及支护后围岩的稳定性,探究了提高围岩体参数的等效模拟方法的可行性.分析结果表明,断层对隧洞开挖后的围岩应力及位移均有不利的影响,容易出现应力集中现象;锚杆采用等效参数模拟的结果是合理、简捷的;支护系统提高了围岩体的稳定性.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(036)002【总页数】5页(P28-32)【关键词】ABAQUS;地应力;稳定性;断层;锚杆;支护系统【作者】都辉;任旭华;张继勋;吾克尔·吾买尔【作者单位】河海大学水利水电学院,南京210098;河海大学水利水电学院,南京210098;河海大学水利水电学院,南京210098;河海大学水利水电学院,南京210098【正文语种】中文【中图分类】TV39地下洞室围岩稳定性问题研究方法［1］主要有：工程地质法、模拟实验法、现场测试法、数值分析法等，其中数值分析法已发展成为评价围岩整体稳定性及设计支护系统的重要方法.断层是地下洞室开挖过程中最常见的不良地质现象，有断层分布的区段是地下洞室围岩最不稳定的区段之一.阮彦晟［2］从断层附近应力分布的异常角度做了相关研究，分析了地下工程围岩的稳定性，指出了断层对稳定性的不利影响；崔芳等［3］对断层影响下隧道围岩稳定性进行了数值模拟分析；吴满路等［4］从地应力测量方面对隧洞围岩稳定性做了相应研究，指出了断层对稳定性的危害.综上所述，断层对围岩的稳定性起着重要的作用，有必要对其进行深入研究.1 工程概况波堆水电站是波得藏布流域梯级开发的第三级电站，坝址海拔2780m，控制流域面积2453km2，年均流量132m3／s，电站装机9600kW，年均发电量6714万kW·h，是以发电为任务的单目标工程.泄洪建筑物主要有洞室溢洪道和泄洪洞（兼导流洞）.泄洪洞总长536.66m，为圆形隧洞，洞径10m，布置在左岸山体中.导流洞洞身段0＋080～0＋395段岩性为灰岩，以弱风化～微风化岩体为主，依据《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287-2006）附录J围岩分类标准，属Ⅲ类岩石；洞顶山岩覆盖厚度均大于3倍洞径，为Ⅳ类岩石；导流洞外侧岩质岸坡部位砂质板岩内小规模断层较发育，导流洞洞身部位局部地段小规模断层较发育，断层破碎带和灰岩接触带部位风化作用较强，岩性较破碎，属Ⅴ类岩石，需进行支护.导流期采用现浇C40混凝土衬砌，衬砌厚度1m，存在断层和破碎带.选桩号0＋120至0＋320段进行计算分析，地质剖面图如图1所示，隧洞埋深30～60m. 图1 导流洞地质剖面图2 数值分析2.1 计算假定文章的数值模拟计算是基于以下的假定：1）初始应力场仅考虑自重作用；2）不考虑地下水在开挖过程中的作用；3）开挖过程并没有模拟施工过程，而是理想的一次性开挖.4）模型的支护中只考虑初期支护喷混凝土和锚杆支护作用，未考虑二衬.2.2 计算模型与计算参数本文采用Ansys建立三维有限元模型，将节点和单元信息导入ABAQUS中进行计算和后处理，采用的本构模型为摩尔-库伦理想弹塑性模型.模型除上表面为起伏的曲面外其余均为垂直于坐标轴的平面，其中垂直于X轴的两个平面与垂直于Z轴的两个平面均采用法向位移约束，底面位移完全约束.3类岩石及断层破碎带均采用四面体实体单元模拟，断层厚度1m，倾角在60°左右，斜穿过隧洞，材料为Ⅴ类岩石.模型共99325个节点、93288个单元.材料参数由波堆水电站地形地质资料而得，具体见表1，有限元模型网格划分及坐标系建立如图2所示，其中Y方向为竖直方向，X方向为洞轴线方向.表1 材料参数类型密度ρ／（kg·m-3）弹性模量E／GPa泊松比μ抗拉强度R／MPa粘聚力c／MPa摩擦角φ／°2650 8 0.252.2 1.147.4Ⅳ类岩石 2450 5 0.3 2 0.5 35Ⅴ类岩石 2250 1.2 0.4 1.5 0.2 25混凝土（C40）Ⅲ类岩石2400 32.5 0.21.71 - -图2 模型网格图3 初始应力场分析为保证初始位移为零同时对模型施加初始应力场，必须进行地应力的平衡，即通过正演计算提取应力作为内力然后再施加重力荷载进行平衡，从而实现初始应力场的施加同时保证初始位移为零.ABAQUS提供了4种方法来平衡地应力［5］：初始应力提取法、关键字定义法、子程序定义法及（AUTOBALANCE）自动平衡法.考虑到本例地表起伏不平及岩土材料不均匀的情况，采用初始应力提取法进行地应力平衡.该方法中的文件FILENAME.INP获取方法为：首先将已知边界条件施加到模型上进行正演计算，然后将计算得到的每个单元的应力外插到形心点处并导出6个应力分量.将得到的应力作为内力施加到模型中同时施加重力荷载重新计算，即实现地应力的平衡，如图3所示（本文位移单位均为m，应力单位均为Pa，后面均不再标注）.图3 地应力平衡效果图观察图3平衡后的结果可知，模型位移的量级由厘米级降到零点几个毫米级，可以近似认为初始位移为零，而竖向应力基本一致，平衡效果较好，这样就实现了模型近似不变形的情况下，将自重形成的初始应力场施加到模型上的目的.4 洞室开挖围岩稳定性分析X＝43.8m截面和Z＝56m截面为洞轴线与断层相交点所处的X向和Z向典型截面，本例重点分析断层的不利影响，因此选择这两个截面来研究.4.1 开挖完成后位移场分析1）顶拱和底板的位移主要以竖向位移为主，且沿X轴纵深方向顶部与底部竖向位移大小均是增加趋势，原因是上部岩体及覆盖层自重也是沿X轴增加，如图4所示.图4 开挖后竖向位移分布云图2）通过Z＝56m截面观察竖向位移U2分布云图，发现竖向位移沿X轴纵深方向变化规律在断层与隧洞交汇处出现波动，顶拱和底部的最大位移均出现在断层附近（如图5所示），所以断层与隧洞交汇处的位移为控制位移.图5 Z＝56m截面竖向位移最大点3）洞室开挖后，由于应力释放，围岩产生指向洞室内部的回弹变形，顶拱和底部位移较大为3mm，两侧位移较小，分布如图6所示.4.2 开挖完成后应力场分析1）观察第一主应力断面图，发现在洞室与断层的交汇处出现不同程度的应力集中，在断层上盘和下盘都存在一个最大拉应力极值，为0.38MPa（如图7～8所示），这是由两个应力载荷共同作用的结果［6］，一是原始应力场中的应力因隧洞开挖而重新分布后对洞壁形成的载荷；二是断层面受上盘挤压而形成的垂直断层面的侧向应力的分力，再加上断层的岩体一般都比较软弱和破碎，不能承受高的应力所致，但断层厚度仅有1m，所以影响范围并不是很大，而且拉应力并未超过Ⅴ类岩石抗拉强度1.5MPa.图6 开挖后X＝43.8m截面合成位移分布云图图7 X＝43.8m截面主应力云图图8 Z＝56m截面主应力云图2）隧洞开挖后，由于开挖扰动使得围岩应力在一定范围内有所调整，地应力分布状态也会出现明显的扰动，围岩体第一主应力越靠近洞壁越大，应力值增大幅度明显，顶拱和底部增至最大，远离洞壁位置，最大主应力的变化幅度较小，呈平稳变化.4.3 塑性破坏区隧洞开挖后，断层附近的岩体会产生弹塑性区.本例断层的倾角在60°左右，且厚度为1m，附近的塑性区变化不明显，塑性区主要分布在断层破碎带范围内［7］，如图9所示，说明断层仍是影响围岩稳定的重要因素.图9 塑性区分布图上述结果表明：开挖后最大拉应力点和竖向（U2）最大正负向位移均出现在断层与隧洞的交界处，这是由于洞室开挖构成了岩体的临空面，这些临空面与断层把岩体切割成柱体或楔形体等易失稳构件，应力波动比较剧烈，加上断层破坏了岩层的连续性和完整性，导致断层附近岩石比较软弱和破碎、强度低、力学性质比较复杂，不能承受高的应力和不利于能量积累，所以此处成为应力降低带.考虑到围岩受断层影响的不利性，有必要采取适当支护措施来限制围岩位移的继续扩大，同时也是为了防止因应力恶化出现岩爆冒顶或冲击地压而导致围岩失稳.5 支护措施与支护效果分析本例采取的支护措施为施加混凝土初衬及在断层与隧洞交汇区段施加锚杆.通过计算，分析比较了有无衬砌情况下断层与隧洞交汇区段围岩体所受的拉应力极值的变化，结果表明施加混凝土初衬后，围岩体位移得到了明显改善，但交汇区段的拉应力极值却由0.38MPa增大到1.2MPa，已经很接近Ⅴ类岩石的抗拉强度1.5MPa，因此要加强交汇区段的支护措施，即在断层与隧洞交汇区段施加锚杆.通常在实际工程中的锚杆数以千计，如果逐一进行模拟会耗费大量的时间且难度较大，所以采用将岩体锚杆支护系统看成一种增强材料，建立等效力学模型，提高材料参数的方法进行模拟，从而简捷地为工程设计和施工提供参考意见.5.1 ABAQUS锚杆嵌入式模拟方法与等效参数方法比较5.1.1 ABAQUS锚杆嵌入式模拟（方案1）该方案是在ABAQUS前处理器中建立锚杆模型，采用＊Embedded Element命令实现锚杆的嵌入.为使锚杆模拟方便，采用已有节点进行杆单元（T2D2）的创建，锚杆采用普通砂浆锚杆，直径Φ22，长度深入岩石3m，间排距约为3m，密度为7800kg／m3，弹模为200GPa，泊松比取0.27.5.1.2 等效参数法（方案2）锚杆的作用相当于形成一个环向加固区［8］，简单的处理方法就是提高锚杆作用区的力学指标c（粘聚力），φ（摩擦角）值，依据锚杆-围岩复合结构体的力学参数确定方法［9］，粘聚力可根据Dulacska的公式计算式中，D为锚杆直径；c′0为锚杆-围岩复合结构体的初始粘聚力；σs为锚杆抗拉强度；c0和φ0分别为围岩初始状态的粘聚力和内摩擦角；sa和sc分别为在隧洞轴向和环向上的间距.锚杆-围岩复合结构体的内摩擦角的计算公式：由公式（1）和（2）可计算得出锚杆-围岩复合结构体的粘聚力和内摩擦角，相比于未加锚杆前围岩的粘聚力和摩擦角，本例摩擦角φ提高了10°，粘聚力c提高了30%.5.1.3 结果分析选择Z＝56m截面及X＝146.3m截面为典型截面，观察位移与第一主应力分布云图.两种方法均可实现限制围岩体位移的目的，与只施加混凝土初衬相比，在锚固区的位移均有明显减小（如图10所示）.在效果接近的情况下，采用ABAQUS嵌入式锚杆模拟方法围岩体的第一主应力最大值未超过0.67MPa，而等效参数模拟法得到的围岩体主拉应力最大值未超过1MPa（如图11所示）.两种方法位移分布基本一致，围岩体所受拉应力值均在合理范围内，因此在模拟工程实例进行有限元分析时，对于方案一锚杆建模不便时，可以适当采用方案二进行简捷等效计算，本例采用等效参数模拟方法进行支护模拟.图10 位移分布比较图图11 第一主应力分布比较图5.2 支护效果分析依据5.1节所探究的锚杆模拟方法，采用等效参数模拟方法对本例的支护系统进行相关模拟，综合混凝土初衬及锚杆作用进行支护效果分析.同时，在探究支护效果的过程中，进行了只施加混凝土初衬与锚杆和初衬相结合的比对.洞室开挖扰动后，围岩体在断层与隧洞交汇的特殊部位出现了异常的应力集中现象，所以在此交汇区段采用提高支护水平的方法即采取锚杆（等效参数法）结合混凝土初衬方案进行支护，通过分析来探究支护效果对围岩稳定性的影响.5.2.1 应力分析1）施加支护后围岩体部分完全处于受压状态，而未加支护时，在断层与隧洞交汇处是有部分受拉区的，说明支护系统可以帮助围岩分担部分载荷.2）通过在局部区域（易破坏区）施加锚杆改善混凝土初衬整体的受力情况，效果明显，对比观察单纯施加混凝土初衬与加上锚杆两种情况的第一主应力图（如图12所示）可知，衬砌顶部和底部拉应力区的应力最大值由1.2MPa减少到0.86MPa.模拟锚杆加固区顶部和底部均承受了部分拉应力起到了锚杆的等效作用，降低了衬砌承受的拉应力.图12 Z＝56m截面第一主应力分布比较图5.2.2 位移分析施加混凝土初衬后位移场规律基本不变，只是量值上有所差别，最大位移由3mm 降到了1.9mm，而且位移的最大值点也不在断层与隧洞交汇区附近，实际位移减少比例更大，这说明衬砌很好地限制了围岩体的位移，竖向位移的分布规律也是一致的.施加锚杆后，断层附近区域位移更小了，锚固作用效果明显.5.2.3 塑性区分析对比施加支护措施前后的塑性区分布图可知，施加支护后模型在断层与隧洞交汇处已无塑性区，如图13所示，说明支护有效地限制了交汇区段的塑性区发展.图13 支护前后塑性区分布比较图6 结语通过模拟有断层贯穿的地下隧洞的开挖与支护，进行了围岩稳定性的相关分析，得出以下几点结论：1）在考虑自重是初始应力场的主要成因前提下，对于地表起伏的情况，采用初始应力提取法最为有效和可行.2）断层与隧洞相交处的围岩体位移为控制位移，主要原因是断层面与临空面将岩体切割成楔形体等易破坏形态，同时也破坏了原岩的整体性和连续性.3）对于复杂的单元形状，在不方便模拟锚杆单元时，采用等效参数模拟方法缩减了建模的过程，提高了效率；支护措施有效地改善了断层与隧洞交汇处的应力集中现象.参考文献：［1］邓声君，陆晓敏，黄晓阳.地下洞室围岩稳定性分析方法简述［J］.地质与勘探，2013，49（3）：541-547.［2］阮彦晟.断层附近应力分布的异常和对地下工程围岩稳定的影响［D］.济南：山东大学，2008.［3］崔芳，高永涛，吴顺川.断层影响下隧道围岩稳定性的数值分析［J］.公路，2011（9）：242-245.［4］吴满路，廖椿庭.大茅隧道地应力测量及围岩体稳定性研究［J］.地质力学学报，2000，6（2）：71-76.［5］代汝林，李忠芳，王姣.基于ABAQUS的初始地应力平衡方法研究［J］.重庆工商大学学报：自然科学版，2012，29（9）：76-81.［6］晁建伟，余同勇，韦四江.回采巷道过断层顶板破坏特征研究［J］.矿业安全与环保，2009，36（2）：13-15＋92.［7］付存仓，温森.断层对巷道附近塑性区的影响［J］.采矿技术，2006，6（2）：31-32.［8］刘学.采用ABAQUS的隧道稳定性分析［J］.山西建筑，2009，35（9）：312-313.［9］冯夏庭，张传庆，李邵军，等.深埋硬岩隧洞动态设计方法［M］.北京：科学出版社，2013：354-356.。
基于ABAQUS的某土石坝坝坡稳定性分析
1引言土石坝稳定性分析常用的方法主要是极限平衡法和有限元法。
极限平衡法以毕肖普法、摩根斯顿-普赖斯法、Spencer法、Sarma法、楔形体法等[1-4]为代表，有限元法以强度折减法[5]为代表。
随着土地本构模型（摩尔库仑模型、邓肯张模型、Drucker-Prager模型等）理论应用成熟和有限元软件开发应用，强度折减法越来越多地应用到工程实际，为工程设计提供印证，如边坡、坝坡、隧道、基坑等有限元分析，并趋于成熟。
近年来，国内学者对强度折减法的应用开展了大量工作：李小春[6]采用强度折减法对边坡的多滑面进行了模拟，认为该方法得到的多级滑动面与现场监测数据吻合较好。
王曼等[7]采用ABAQUS软件的强度折减法分析了边坡的稳定性，确认其计算结果的合理性。
王作伟等人[8]采用强度折减方法计算了边坡的极限上限，对比验证强度折减法与传统极限平衡法具有良好的适应性。
雷艳等[9]采用强度折减法对土石坝坝坡进行稳定分析，得出的安全系数与塑型区域可为工程提供借鉴。
以上研究均取得了较好的研究成果，表明强度折减法用于工程实际分析边坡、坝坡稳定性是可行合理的。
故本文基于以上研究，采用ABAQUS软件结合强度折减法对某均质土石坝进行稳定性分析计算，并从水利工程建设管理的角度，浅析建设管理对工程质量的控制。
2强度折减法所谓强度折减法是指给一强度折减系数F r[10]，采用公式（1）和（2）将土体抗剪强度指标进行降低，导致土体逐渐失稳，土体单元发生塑性变形，当临界失稳时，折减系数就是边坡对应的安全系数。
具体公式如下所示：c m=c/F r（1）φm=arctan（tanφ/F r）（2）式中，c和φ为土体的抗剪强度指标（粘聚力和内摩擦角）；c m和φm是折减后的抗剪强度；F r是强度折减系数。
强度折减法精髓在于降低土地的抗剪强度指标，使土地单元应力不能配套而失稳。
3土石坝稳定性分析某均质土石坝，最大坝高100m，正常蓄水位在坝高90m处，坝顶宽8m，上下游坡比为1∶3√，坝体材料密度为2200kg/m3，强度参数如表1所示。
abaqus在隧道及地下工程中的应用
abaqus在隧道及地下工程中的应用
隧道和地下工程是现代建筑中重要的一部分，而abaqus作为一
个强大的有限元分析软件，可以在这些工程中提供有力的支持和帮助。
abaqus可以模拟隧道和地下结构的不同工况下的应力、变形和损伤
等方面的特性，为工程师提供准确的预测和优化方案。
abaqus在隧
道和地下工程中的应用广泛，涉及地下隧道、地铁车站、水利工程、地下储气库、地下核设施等领域。
本文将介绍abaqus在隧道和地下
工程中的应用，包括模拟隧道开挖过程中的土体变形和应力分布、分析地铁车站结构的稳定性和疲劳性能、模拟地下储气库的地震响应等方面。
这些案例研究展示了abaqus在隧道和地下工程中的强大功能
和广泛应用，为隧道和地下工程的设计和施工提供了重要的技术支持和保障。
- 1 -。
abaqus、flac3d 对不同工况隧道开挖的分析过程-岩土工程数值方法
目录1 工程概况 (2)2 模拟要求 (2)2.1 工况要求 (2)2.2 成果要求 (2)3 工况1(abaqus) (2)3.1 数值模拟介绍 (2)3.2 模拟分析 (3)3.2.1 模型建立 (3)3.2.2 材料赋予 (3)3.2.3 分析步设置 (4)3.2.4 建立相互作用 (5)3.2.5 施加荷载和边界条件 (5)3.2.5.2 施加荷载 (6)3.2.6 网格划分 (7)3.2.7 模型求解 (8)4 工况二(abaqus) (13)4.1 位移分析 (13)4.2 应力分析 (14)4.3 两种工况塑性区分析 (15)5 Flac3D-6.0 模拟分析(工况一) (16)5.1 Flac3d 简介 (16)5.2 建模 (16)5.3 位移分析 (17)5.4 应力分析 (18)6 总结与感想 (19)附件(flac3d 命令代码) (20)参考文献............................................................................................................................... 错误!未定义书签。
1 工程概况某建设工程，地下岩石隧道洞顶位于地表面下9m，洞跨16m，洞的直墙高6m，洞拱为圆弧，拱矢高6m。
据工程勘察报告，场地围岩等级为IV级。
隧道上方偏离洞中轴线6.50m 的地面拟建一建筑物（40层），建筑物荷载简化为均匀分布于15m范围内，每层荷载考虑为20kPa，直接作用于地表。
2 模拟要求2.1 工况要求工况一：先有地面建筑，后修隧道。
模拟可以参考以下步骤进行：第一步：模拟初始地应力场、位移场；第二步：修建地面建筑，施加建筑物荷载；第三步：模拟开挖地下隧道（可全断面开挖，也可分部开挖），也可考虑衬砌支护（厚30cm 的C30混凝土衬砌）。
工况二：先有隧道，后修地面建筑。
abaqus在岩土工程中的应用 案例文件
abaqus在岩土工程中的应用案例文件abaqus是一款常用的有限元分析软件，广泛应用于岩土工程中。
下面列举了岩土工程中abaqus的应用案例，包括地基工程、边坡稳定性分析、挡土墙设计等方面。
1. 地基工程地基工程是岩土工程的核心内容之一，abaqus可以用于地基的承载力和沉降分析。
通过建立地基模型，考虑不同荷载情况下的土体性质，可以计算地基的承载力和变形情况，进而指导实际工程设计。
例如，可以通过abaqus模拟地基基坑开挖对周围土体的影响，预测地基下沉的情况，为地下结构的设计提供依据。
2. 边坡稳定性分析边坡稳定性是岩土工程中的重要问题，abaqus可以用于边坡的稳定性分析。
通过建立边坡模型，考虑不同荷载、土体参数和边坡几何形状等因素，可以计算边坡的稳定性指标（如安全系数）和发生滑移的位置。
例如，可以通过abaqus模拟陡坡下雨后的渗流和剪切破坏，评估边坡稳定性，并提出相应的加固措施。
3. 挡土墙设计挡土墙是岩土工程中常见的结构，abaqus可以用于挡土墙的设计和分析。
通过建立挡土墙模型，考虑土体参数、结构形式和荷载情况等因素，可以计算挡土墙的稳定性和变形情况，指导挡土墙结构的设计。
例如，可以通过abaqus模拟挡土墙的荷载响应和土体变形，评估挡土墙的稳定性，并确定合适的尺寸和材料。
4. 地铁隧道分析地铁隧道是岩土工程中的典型工程，abaqus可以用于地铁隧道的分析。
通过建立隧道模型，考虑地下水、土体参数和开挖方式等因素，可以计算隧道的稳定性和变形情况，指导隧道的设计和施工。
例如，可以通过abaqus模拟隧道开挖对周围土体的影响，评估隧道的稳定性和地表沉降情况，并提出相应的支护措施。
5. 岩石力学分析岩石力学是岩土工程中的重要分支，abaqus可以用于岩石的力学分析。
通过建立岩石模型，考虑岩石的本构关系和荷载情况，可以计算岩石的应力分布、变形情况和破坏机制，指导岩石工程的设计和施工。
例如，可以通过abaqus模拟岩石的加载过程和破坏模式，评估岩石的强度和变形特性，为岩石工程提供依据。
拱肩裂纹对隧道稳定性影响的数值分析与试验研究_李元鑫
图 7 θ=180°隧道模型应力云图 Fig．7 Contour of the stress in a tunnel model with θ=180°
现代隧道技术
MODERN TU NNELLING TECHNOLOGY
拱肩裂纹对隧道稳定性影响的数值分析与试验研究
文 章 编 号 ：1009-6582（2014）05-0114-07
DOI: 10.13807/ki.mtt.2014.05.017
拱肩裂纹对隧道稳定性影响的数值分析与试验研究
李元鑫 朱哲明
2 基于 Abaqus 的数值模拟结果
为了研究如图 1 所示隧道拱肩裂纹与侧壁的角 度对隧道稳定性的影响，本文以 Abaqus 为基础进行 了模拟计算。
图 1 隧道周边的裂纹 Fig.1 Cracks around the tunnel
数值模拟以直墙拱形隧道为研究对象， 将隧道 简化为连续均匀介质模型， 三维建模， 试样尺寸为 350 mm×350 mm×100 mm，隧 道 高 60 mm， 宽 50 mm， 隧道拱为半径 25 mm 的半圆； 裂纹为贯穿裂
2.1 屈雷斯加（Tresca ）屈服准则
当受力物体（质点）中的最大切应状
态时，其最大切应力是一不变的定值，该定值只取决
于材料在变形条件下的性质，而与应力状态无关，所
以又称最大切应力不变条件。 屈雷斯加屈服准则的
数学表达式为：
τmax
=
σs 2
114 第 51 卷第 5 期(总第 358 期) 2014 年 10 月出版 Vol . 51 ， No . 5 ， Total . No . 358 Oct . 2014
采用台阶开挖法的隧道稳定性数值模拟分析
2020年第2期
桥梁隧道旋工安全
采用台阶开挖法的隧道稳定性数值模拟分析
李晟
（重庆交通大学土木工程学院，重庆400074）
【摘 要】文章结合某公路隧道，采用数值方法模拟台阶开挖法的施工过程。结论表明：（1）采 用三台阶七步开挖法，沉降和变形量较小，稳定性高。（2）开挖后要紧跟支护结构，利用支护结构承 受很大部分的围岩压力，为二衬的施作和发挥作用提供时机。（3）现场实测应多关注拱顶、拱脚等 位移变化大的位置。（4）现场实测和数值模拟结合比其中单一的一种更加可靠。
【关键词】ABAQUS 数值模拟 三台阶七步开挖 稳定性
【中图分类号】U455.4
【文献标志码】A
0.引言
公路隧道开挖过程中，围岩受到多次扰动，其 应力会发生释放最终达到重分布，而掌子面的稳定 直接关系到隧道的整体稳定性3〕。现场布设监测 元件进行监测，能够及时预测隧道施工中的险情， 及时通知施工单位采取有效措施进行防护，保证隧 道施工的安全和隧道的稳定性；积累第一手数据， 但投入成本较大，周期较长。而利用有限元软件不 仅可以模拟施工过程，还能够分析开挖过程的应力 和位移的变化情况以及影响范围。隧道断面面积超
洞身长度为10 m,取5 m为一个开挖进尺。本 文采用三台阶七步开挖的方法,具体过程如图2所 示。其施工过程为：第1步是先开挖上部弧形的导
consTRucnon safety
坑；第2、3步进行左和右侧台阶开挖；第4、5步继
续开外左、右侧台阶；第6步进行开挖上中下台阶 预留核心土；第7步进行隧底开挖。完成第一个循 环进尺后，进行施作钢拱，锚杆，衬砌等支护结构。
第二个开挖进尺按上述的步骤进行。
1.2计算参数 根据现场力学实验结果，模拟隧道开挖和支护
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文章编号:1009 6825(2009)09 0312 02采用ABAQUS 的隧道稳定性分析收稿日期:2008 11 13作者简介:刘 学(1970 ),男,工程师,中铁十九局集团第四工程有限公司,辽宁辽阳 111000刘 学摘 要:结合某隧道的工程地质特点,采用ABA QU S 对隧道开挖过程进行了数值模拟,分析表明:采用双侧壁导坑法,由于开挖步之间的相互影响,围岩的应力和变形都比较大,因此支护应紧跟,得出了数值模拟成果与现场监测结果规律基本一致的结论。
关键词:ABA QU S,稳定性,数值模拟,双侧壁导坑法,超前支护中图分类号:U 451文献标识码:A随着我国大规模建设的展开,高速公路建设发展迅速。
为了避开各种病害,改善运营条件,在穿越山区时,高速公路也常采用隧道方案。
一般隧道施工工序多,难度大,地质、形状和受力条件复杂,一般很难得到理论解析解。
有限元法自20世纪50年代发展至今,已成为解决复杂岩土力学问题的有力工具,用来解决许多难以用解析法求解的力学问题。
大型有限元程序ABA QU S 完全可以模拟隧道动态开挖的全过程,并与目前已施工监测得到的数据进行分析对比,根据分析结果,提出相应的措施和建议。
1 工程概况该隧道穿过低山丘陵地貌区,隧道线路经过的最大高程约为407m,隧址地面标高51.28m ~407.00m,最大相对高差约355.72m 。
隧道设计为单洞双线,全长2.4km,围岩级别为 级~ 级。
其中 级段区域地质构造、断裂构造发育,施工过程中极易出现突水和洞室失稳现象,该区段确定为本隧道的施工难点。
本文通过大型有限元软件ABA QU S 对这一区段的开挖进行模拟,揭示该区段内围岩的变形机理,以优化支护参数,保证施工安全进行。
本段隧道为上下行分离的双向六车道高速公路隧道,建筑限界净宽14.5m,净高5m;建筑内轮廓宽15.18m,全高7.92m,围岩级别为 级。
2 ABAQUS 分析模型2.1 建立计算模型本文采用ABAQ U S 建立二维平面应变模型,见图1。
以模型的土体自重方向为y 方向,上表面为自然表面。
模型边界尺寸取5倍隧道直径,这里取长50m,高40m 的长方形平面。
模型左右边界为水平向约束,底边为双向约束。
本文计算中岩体采用M o hr Coulomb 弹塑性模型,初支和二衬采用弹性模型。
隧道断面开挖方法采用双侧壁导坑法,分三部(步)开挖:左右侧同时开挖导坑,而后挖拱部,最后挖除下部岩体。
初期支护在开挖相应断面后及时跟上,二次衬砌在相应主洞开挖成型后全断面施作。
2.2 选取计算参数根据现场岩体力学试验结果和围岩级别 标准,对毛毡岭隧道的开挖、支护进行数值分析时,采用最差工况下工程岩体材料参数,见表1。
表1 岩体材料力学参数材料密度 /kg m -3E /GPa 摩擦角 /( )膨胀角 /( )粘聚力c /MPa级围岩18001.20.33012.50.8对于支护结构,初期支护仅考虑喷射混凝土和锚杆支护。
喷混凝土采用湿喷工艺,混凝土强度等级为C20,设计厚度为20cm;二次衬砌采用钢筋混凝土材料,设计厚度为60cm,混凝土强度等级为C25。
锚杆的作用相当于形成一个环向加固区,简单的处理方法就是提高锚杆作用区的力学指标c(粘聚力), (摩擦角)值,依据工程经验,对于摩擦角 可提高10 ,粘聚力c 的提高值为30%左右。
支护材料参数见表2。
表2 支护材料力学参数材料密度 /kg m -3E /GPa 初喷混凝土2200210.2二衬混凝土230029.50.2锚杆78002000.33 结果分析3.1 围岩应力分析应力模拟结果指出,开挖后,开挖区周围即产生拉应力,随着开挖对围岩扰动的增加,拉应力范围逐渐扩大,拱部开挖完成后,出现的拉应力最大值为0.456M Pa,之后随着应力的释放,拉应力Research of the fatigue property of the steel bridge monolithic jointsLIU C haoAbstract:It po ints out t hat regarding the st eel br idge,the fatig ue failure of the joints i s the most main destruct ion form.I n this paper,takes t he mo nolithic joint of some bridge as a model,wit h the fatigue test analysis and the finite element computation,a weary performance analysi s is car ried on.T he r esults show that the monolithic joint has a sufficient anti fatigue.Key words:steel bridg e,the monolithic joint,fatigue test,finite element312 第35卷第9期2009年3月 山西建筑SHANXI ARCH IT ECTUREVol.35No.9M ar. 2009最值不断减小,如图2所示。
最后施作二衬后,洞顶最大应力为0.12M Pa,如图3所示,可见二衬对抑制拉应力的扩展也起到很好的作用。
综上所述,在施工中,为了控制开挖后拉应力的扩散,应及时施作初期支护,二衬可在围岩应力释放到一定程度施作,这样可减小二衬的受力。
3.2 围岩位移分析由各施工步骤相应位移场分布情况可以看出,每次开挖位移都有变化,位移基本呈扩大趋势,支护施作后位移场影响范围相应减小,而再次开挖位移场又会增大,全部开挖结束后,拱顶位移出现最大值,达到23.5mm,如图4所示。
拱顶位移变化较大,应加强支护。
3.3 支护分析下面以二衬为例来分析支护结构受力,从计算结果看,二衬受力和变形都较小,拱顶最大拉应力为13.5kPa,最大压应力出现在二衬底部,达到7.9kPa,如图5所示;二衬顶部最大位移15.3mm,底部最大位移11.8mm,见图6。
这主要是二衬施作时,坑道已趋于稳定,因此在施工中应注意二衬施作时机。
3.4 数值结果与现场监测结果对比根据毛毡岭隧道现场收敛、拱顶下沉、围岩压力等监控量测的结果,将数值计算的结果与之对比分析。
结果表明,监测断面拱顶得到的沉降量较数值模拟结果偏小,这主要是由于量测技术的限制,量测前产生的位移无法获取,而数值模拟为全部位移;围岩压力监测结果与数值模拟结果较为接近,由此可知,数值模拟结果与现场监测结果取得了较好的一致性。
4 结语1)在运用双侧壁导坑法开挖过程中应力变化较大,特别是不同开挖步之间的相互影响,因此,开挖中应尽可能减少对围岩的扰动,采取支护紧跟的施工方法。
2)由于围岩较软弱,为了获得准确的位移信息,在拱顶、拱角等位移可能变化大的地方,应多布置测点进行监测,随时观察其变化。
3)数值模拟仅仅是工程研究分析的一种手段,还需要与现场设计施工和监测紧密结合起来。
本文的计算结果与目前的现场监测数据有较好的一致性。
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