隧道力学作业Ansys数值模拟不同埋深隧道的围岩应力
隧道衬砌支护结构的ANSYS数值模拟
隧道衬砌支护结构的ANSYS数值模拟摘要：为了确保隧道施工及运行的安全性，必须对其支护结构进行受力分析。
本文以城市长大隧道为例，基于ANSYS有限元分析软件平台建立隧道支护的荷载—结构模型，并从结构变形、弯矩、轴力和剪力等方面实现对隧道支护结构的数值模拟，从分析结论及安全性的角度出发，为隧道结构的优化设计和现场施工提供依据和指导。
关键词：隧道；支护结构；ANSYS；数值模拟目前，伴随岩土力学的发展和计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元数值分析已成为隧道结构分析中发展最迅速的方法。
在参数选取合理的情况下，通过对隧道开挖过程进行仿真分析，可判定隧道围岩应力大小以及应力区和塑性区的范围，能够预测隧道施工中的险情，保证隧道施工安全和稳定性。
一、有限元数值模拟方法有限元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元并设定节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，在每一个单元中假设一近似差值函数以表示单元场中场函数的分布规律，利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的自由度问题，一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数[1]。
在实际工程应用中，有限元法可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性和几何非线性等，适用于各种边界条件，结合大型通用有限元软件ANSYS能较好实现隧道结构的数值计算。
基本建模流程包括选择分析模型类别、创建物理环境、建立模型和划分网格、施加约束和荷载、建立有限元模型、求解和后处理等。
当前，对隧道支护结构体系一般按照荷载—结构模型进行演算，分析过程中将围岩视为隧道结构上的荷载，且为结构本身的一部分，两者间的相互作用通过围岩的弹性支撑对结构施加约束来实现。
二、隧道结构受力分析实例2.1 设计概况目标隧道为双向六车道设计，含多种断面衬砌类型，围岩级别Ⅲ～Ⅵ级。
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。
ansys隧道开挖实例
3.4 ANSYS隧道开挖模拟实例分析3.4.1 实例描述选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的某隧道，隧道为单洞双车道，隧道正下方存在一个溶洞，隧道支护结构为曲墙式带仰拱复合衬砌。
主要参数如下：◆隧道衬砌厚度为30cm。
◆采用C25钢筋混凝土为衬砌材料。
◆隧道围岩是Ⅳ级,隧道洞跨是13m，隧道埋深是80m。
◆溶洞近似圆型，溶洞半径是3.6m,溶洞与隧道距离12.8m。
◆围岩材料采用Drucker-Prager模型。
◆隧道拱腰到拱顶布置30根25Φ锚杆。
隧道围岩的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3-7所示。
表3-7 物理力学指标名称容重γ（3/mkN）弹性抗力系数K（MPz/m）弹性模量E（GPa）泊松比v内摩擦角ϕ（。
）凝聚力C（MPa）Ⅳ级围岩22 300 3.60.32370.6C25钢筋混凝土25 - 29.50.15542.42锚杆79.6 - 1700.3-- 利用ANSYS提供的对计算单元进行“生死”处理的功能，来模拟隧道的分步开挖和支护过程，采用直接加载法，将岩体自重、外部恒载、列车荷载等在适当的时候加在隧道周围岩体上。
利用ANSYS后处理器来查看隧道施工完后隧道与溶洞之间塑性区贯通情况，来判断隧道底部存在溶洞情形时，实际所采用的设计和施工方案是否安全可行。
3.4.2 ANSYS模拟施工步骤ANSYS模拟计算范围确定原则：通常情况下，隧道周围大于3倍洞跨以外的围岩受到隧道施工的影响很小了，所以，一般情况下，计算范围一般取隧道洞跨3倍。
但因为本实例隧道下部存在溶洞，所以，垂直方向：隧道到底部边界取为洞跨的5倍，隧道顶部至模型上部边界为100米，然后根据隧道埋深情况将模型上部土体重量换算成均布荷载施加在模型上边界上；水平方向长度为洞跨的8倍。
模型约束情形：本实例模型左、右和下部边界均施加法向约束，上部为自由边界，除均布荷载外未受任何约束。
围岩采用四节点平面单元（PLANE42）加以模拟，初期支护的锚杆单元用LINK1单元来模拟，二次衬砌支护用BEAM3来模拟，计算时首先计算溶洞存在时岩体的自重应力场，然后再根据上述方法模拟开挖过程。
基于ANSYS分析不同截面的地铁隧道开挖变形和应力分布
工程技术建 筑 技 术 开 发·79·Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第48卷第6期2021年3月隧道工程围岩变形和受力一直是岩石力学工作者比较关心的问题，随着人类对生存空间的不断探索，利用地下空间的实例越来越多，如地铁隧道。
软土地基区段的变形灾害问题日益突出，所以对于隧道开挖过程中围岩变形的研究很有必要，也是人们非常关心的课题[1]。
意大利的G.Galli 等[2]利用有限单元法模拟了隧道的开挖和支护过程，深入分析了隧道施工过程中掌子面的位移及围岩—衬砌的相互作用；Weishen Zhu 等[3]运用施工过程力学（CPM ）原理和有限元的数值模模拟方法，通过对各种不同岩性、开挖方式和不同支护系统下隧道围岩的破坏和变形的预测，来分析隧道的稳定性；Sung O.Choi 和Hee-Soon shin [4]通过借助于HB 隧道，采用FLAC 3D 数值软件，不仅分析了在软弱围岩隧道中各支护形式的优缺点，同时对开挖后的力学受力情况进行了研究。
周毅等[5]针对地质条件复杂，围岩破碎且隧道埋深变化较大的兰渝铁路两水隧道，采用FLAC 软件对隧道施工过程进行数值模拟分析，研究了不同埋深隧道施工过程中开挖进尺对围岩变形的影响。
并以此确定了隧道的埋深与开挖进尺之间的影响关系，确定了在不同埋深的情况下的最优循环进尺，为施工方案的选择提供依据；张志强等[6]运用有限元方法建立了不同条件下土层的三维力学模型，并研究地面沉降的规律。
王清标等[7]采用数值差分软件FLAC 3D 研究了不同工法下隧道交叉区域围岩的应力变化以及对于既有线路的影响规律，根据结果对施工工法进行了比选。
可以看出国内外诸多学者对隧道开挖、盾构后围岩的变形及应力情况进行了分析，有的对比了不同的施工工艺下隧道围岩变形及应力分布；有的利用数值分析模拟等手段分析地表的变形规律；有的推导出地面沉降公式。
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}{}]{[}]){[]([}{][}{0σεεεσd d D d D D d D d p ep +=-== （1） 式中，][D —弹性矩阵，][p D —塑性矩阵。
基于 ANSYS 模拟隧道衬砌结构的内力分析
基于 ANSYS 模拟隧道衬砌结构的内力分析刘莉莎;郎秋玲;黄非【摘要】This paper simulates the internal force of tunnel supporting structure by using finite element a-nalysis software ANSYS,calculates and analyzes stress,bending moment,displacement etc.,in order to de-termine the most dangerous section and the part of the largest stress of tunnel supporting structure,thus to achieve reasonably determine the tunnel excavation,optimize the structure of tunnel support design,and re-duce the construction cost.%运用有限元分析软件 ANSYS 模拟隧道支护结构的内力，对隧道支护结构的轴力、弯矩、位移等进行计算分析，从而确定最危险截面和受力最大的部位，达到合理确定隧道开挖、优化隧道支护结构设计，降低其建设成本的目标。
【期刊名称】《长春工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】3页(P14-16)【关键词】ANSYS;隧道;轴力;弯矩;位移【作者】刘莉莎;郎秋玲;黄非【作者单位】长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 130021;长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 130021;长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春130021【正文语种】中文【中图分类】U451.40 引言目前，伴随着岩土力学的发展，有限元法成为发展最迅速的用于隧道结构分析的数值计算方法。
ANSYS有限元分析在隧道工程中的应用
ANSYS有限元分析在隧道工程中的应用摘要：结合某公路隧道的现场实际施工情况，利用ANSYS有限元分析软件，对隧道开挖引起的地表沉降、围岩应力变化、塑性区变化等进行了计算分析，研究结果对于现场施工起到了一定的指导意义，并值得类似工程的借鉴。
关键字：ANSYS软件；有限元分析；隧道工程1.引言隧道工程处于地面以下，岩土的构成复杂，且难于直接观察，而有限元分析则可把数值结果形象化，把内部结构相互作用过程展示出来，有很大的实用价值。
诸如隧道开挖过程中较为普遍的塌方冒顶现象，若根据地质勘察，了解场地断层、裂隙和节理的走向与密度，借助于试验方法，可以确定岩石本身的力学性能及岩体夹层和界面的力学特性、强度条件。
在此基础上，通过有限元分析可以确定开挖过程中硐室的应力分布、判断硐室是否稳定[4]。
隧道开挖有限元计算的重点是评估隧道开挖引起的地面沉降，研究和评估整体和局部结构由此产生的反应，研究施工过程中隧道衬砌和岩土体的相互作用。
2. 工程背景及有限元模型的建立2.1隧道工程概况某隧道为上下行分离的双向八车道高速公路隧道，建筑限界宽度为17.25m，净高5m。
左右主线隧道均采用四车道，最大毛洞开挖跨度为19.9m，高度10.838m，项目场址区属低山丘陵地貌，地形起伏大，线路沿北西向穿越低山丘陵区，地质复杂，施工难度大。
隧道左洞全长319m；右洞全长315m。
左洞拱顶埋深最大为18.182m，右洞拱顶埋深最大为8.732m，两隧道中心线间距31.37m。
隧道左右隧道间距为小净距(最小11m左右)，为特大断面小净距隧道。
图2.1隧道设计断面图图2.2魁岐隧道出洞口图2.2材料参数选择根据已有现场施工、勘察资料，近似将场地分为四类岩土层，最上一层为坡积亚粘土层，其下部分别为强风化花岗岩层、弱风化花岗岩层、微风化花岗岩层。
各岩土层厚度及材料参数分别如表1示。
表1各岩土层厚度及材料参数隧道初期支护采用锚杆加喷射混凝土支护，锚杆加固围岩形成锚杆加固区，根据经验，该区域内岩石材料参数较加固前提高20%，该分析中将相关参数提高20%用于分析计算。
隧道明洞允许回填高度ANSYS数值模拟分析实例
明洞堆载数值模拟报告1数值建模采用ANSYS软件对明洞的回填过程进行数值模拟，以平面应变法进行计算，采用PLANE42实体单元模拟明洞、周围土体及片石混凝土，采用LINK1杆单元模拟钢筋。
由于其为明挖结构，因此不考虑周围土体的拱效应。
明洞左右各取3倍的跨径作为计算范围，明洞底部取单倍洞高作为计算范围，顶部土体取为4m。
对于6m、8m、10m、12m的回填土，以在隧道顶部施加均布荷载的方式进行模拟，压载土的容重为1950kg/m3。
设置其为拉普拉森算法。
设计参数：钢筋直径取为Φ25，明洞为C30混凝土，锁定回填为C15片石混凝土。
堆载14m时，下部4m采用回填土，土的容重取为1950kg/m3，上部10m 采用炉渣填筑，炉渣的容重取为1300kg/m3，较常规的800 kg/m3，1.625的安全系数。
表1 数值模型参数表图2.1明洞与周围土体单元网格图2.2模型加载土图2.3明洞衬砌与配筋图图2.4明洞结构配筋图图2.5明洞结构与片石混凝土网格图根据《公路隧道设计规范》，C30混凝土的极限弯曲抗压强度为R W=28.1MPa，极限抗拉强度为R l=2.2MPa。
2计算结果2.1回填土高8m图2.1填土高度为8m时的衬砌第一主应力分析明洞结构在回填土高为10m时的第一主应力可见，主拉应力主要产生在拱脚底部、拱顶内侧与仰拱位置，拱角位置的主拉应力最大，量值为1.25MPa，小于C30混凝土的抗拉极限，即2.2MPa。
若进一步增加填土，则该位置混凝土有可能产生拉裂。
图2.2填土高度为8m时的衬砌第三主应力分析明洞结构在回填土高为8m时的第三主应力可见，主压应力主要产生在拱脚内侧，拱角位置的主压应力最大，量值为3.96MPa，远小于C30混凝土的弯曲抗压极限，即28.1MPa。
明洞结构不会因上部堆载而产生混凝土压裂。
2.2回填土高10m图2.3填土高度为10m时的衬砌第一主应力分析明洞结构在回填土高为10m时的第一主应力可见，主拉应力主要产生在拱脚底部、拱顶内侧与仰拱位置，拱角位置的主拉应力最大，量值为1.38MPa，小于C30混凝土的抗拉极限，即2.2MPa。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。