矿井施工过程的有限元模拟分析
深基坑开挖有限元模拟及现场实测研究共3篇
深基坑开挖有限元模拟及现场实测研究共3篇深基坑开挖有限元模拟及现场实测研究1深基坑开挖是城市建设中常见的一项工程，其施工过程涉及到复杂的地质条件和土力学性质，需要选择合适的开挖工艺以及进行科学的现场管理。
通过有限元模拟和现场实测研究，可以更好地掌握深基坑开挖的关键技术和避免工程事故。
一、深基坑开挖的有限元模拟研究1.选取模型有限元模拟研究需要从实际工程出发，在模型选择上要考虑到基坑的深度、土层性质和土体状态等因素。
一般来说，深基坑开挖的有限元模型可以分为全尺度和局部尺度两种。
全尺度模型主要考虑基坑周围的影响因素，包括建筑物、道路、桥梁等，更具有综合性和实用性；而局部尺度模型着重考虑基坑内部的变形和应力分布规律，更加精细。
2.确定材料参数及边界条件在模型构建之前，需要确定土的物理力学参数、断裂面和裂隙等模型参数，并设定模型变形和应力边界条件。
一般来说，这些参数的设定会影响到模型的精度和收敛速度。
3.模拟分析在模型构建、参数设定之后，进行仿真计算，获取模型变形和应力分布规律，从而判断深基坑开挖过程中可能出现的问题和安全风险。
在此基础上，可以设计更加合理的开挖方案，从而避免工程事故的发生。
二、深基坑开挖的现场实测研究1.场地勘察深基坑开挖的现场实测研究需要进行详细的场地勘察，包括地质勘察、水文勘察以及周边地形和土地利用状况等。
通过合理的场地勘察，可以更准确地分析地质条件和土力学性质，指导深基坑开挖的实际操作。
2.数据采集数据采集是现场实测研究的关键步骤，需要安装监测仪器，记录现场的土体变形和应力变化。
其中包括垂直变形、水平变形、扭转变形等各种类型，可以通过测钻、测绘等手段进行采集。
3.实测分析通过数据采集和实测分析，可以获取土体在不同阶段的变形和应力变化特征，判定深基坑开挖过程中可能出现的地质问题和安全隐患。
同时，实测数据可以与有限元模拟结果进行对比和验证，提高模拟精度。
总结深基坑开挖是一项复杂的工程，需要进行科学的设计、管理和监测。
基于反演分析的综合侧压力系数的矿井有限元模拟分析
样 处 理的 结果是 从初 始分 析时 就忽 落 了力学 系统 的非 线性 。所 以本文 基干 力学 系统 的 角 度 ， 出利 用 反映 系统 力 学 行为 的 “ 合参 提 综 数 来 分析力学 系统的力学行为 。对干力学 系 统 的 “ 合参数 ”的求取方法 ， 综 本文 参考相关 文献使用 岩土工程 中的反演分析 方法来求 取。 ２ ２ 神 经 网络 的反演 分析方法 ． 在确 定 岩土 力学 系统 的力 学参 数 的方法 中， 反演分 析方法得 到 了广泛 应用 １。在岩石 ２ ］ 力学 与工程 中 ， 反演 分析就是利 用工程现场 量 测得到 的反映 系统力学行为 的某些 物理量 （ 例 如 应 力 、应 变 或位 移 ） 来推 算 该 系统 的初 始 参 数 。其 中反映 系统 力学 行为 的现场 观测 物 理量， 被称 为反 分析 法 的基 础信 息 （ 如应 变 、 位 移 、应 力信 息 ） 而被 反算的 初始 参数一 般 ； 包 括岩 体初 始地 应力 （ ） 场 、力学 参数 及结 构 所 受荷 载或边 界 条件 。根据 反 分析时 所利 用 的 基础信息 不同 ， 反分析法可 分为应 力反分析 法 、位 移 反分析 法和 混合 分析法 。应 力反分 析 法是 依据 在工 程 区域内 有限 个少数 实测 应 力值 ， 建立 相应的数学 力学模型 推求整 个工程 区域 内的初始地应 力场 ｆ 位 移反分析法 类同 ， ２ 】 ， 混 合分析 法是 两 种方法 的综 合 。但是 推求 数 学 力学模 型是 相当的复杂的 ， 神经元 网络具 而 有很 强的非线性 关系处理能 力 ， 良好 的 自适 有 应 性 、容 错性 等优 点 ， 不需 要知 道 力学 参 它 数和 应力 间的非 线性关 系 ， 不需要考 虑非 均 也 质 性 、节 理 、结 构 面 、 裂 隙 、各 个 土 层 厚 度 变化 、地 下水 和结构 效应 等其 他的 因素 影 响， 可以很方 便的实现所 求力学参 数和应 力的 非线性映射关系。 对于神 经网络方法 ， 要形成一 个 网络就 必 须使 用训练数据 来训练 网络 ， 这些训 练数 据 而 可 以使 用大量 有 限元计 算求 得 。本 文通过 有 限元 神 经 网络 反演 方法 反分 析矿 井的 “ 合 综 侧压 力系 数” 的 基本 过程 就是 ： 先 基于 不 首 同侧压 力系数的有限元模 型求得 大量 的矿 井的土 压应 力数 据样本 ， 然后 使 用数据 样本 来训练神 经 网络 ， 之后 再 利用训练好 的神 经网络和实测矿 井土 压应 力数 据来 反 求岩 土 力学 系 统 的 “ 综合侧 压力系数 。由此反演得 到的
基于plaxis二维和Madis三维有限元模型分析深基坑工程施工过程变形研究
基于plaxis二维和Madis三维有限元模型分析深基坑工程施工过程变形研究摘要：本次研究基于plaxis二维和Madis三维有限元模型分析深基坑工程施工过程变形分析，采用PLAXIS 2D有限元软件建立二维平面应变有限元模型进行基坑分区开挖对周边建（构）筑物以及地下管线的影响分析，采用Midas GTS NX有限元软件建立三维有限元模型进行基坑开挖计算及基坑开挖对周边土体及基坑围护结构的影响。
关键词：基坑工程、地变形控制、周边环境影响、有限元分析、数值模拟1.基坑施工变形分析本模型分析以真实项目为案例，项目基坑长128.7m，宽131.6m，周长507m，基坑开挖深度10.2m。
基坑采用的围护措施为地下连续墙/钻孔灌注桩+三轴水泥土搅拌桩槽壁加固(外侧兼止水)+两道硂支撑+坑内双轴水泥土搅拌桩裙边加固的围护形式，周边建（构）筑物、地下管线复杂。
在基坑工程施工中，地质情况、周边堆载、开挖深度、墙桩刚度、墙桩材料、墙桩入土深度、撑锚刚度强度、撑锚设置间距、撑锚设置位置、预应力水设置、开挖顺序、开挖深度与宽度、支撑强度、基坑降水、暴露时间等都会对基坑变形产生影响，影响因素复杂。
施工前通过plaxis二维和Madis三维有限元模型分析能准确的计算出变形值，在基坑开挖过程中有效规避薄弱位置，严格控制基坑累积变形及变化速率，是基坑变形安全控制的关键。
能否有效控制基坑变形，不仅仅是依托支护结构的可靠性，能掌握基坑各阶段变化趋势也是决定因素。
基坑施工过程中，围护体向内倾斜，导致周边土体部分下沉加剧，因周边土体部分下沉，导致室外地表下沉，土体下沉及临时结构（散水、道路）等会出现不同程度沉降，控制基坑周边附近沉降，是防止和减少环境影响的根本所在，现实施工中，地面沉降的影响因素较多，主要有;（1）开挖过程中桩墙体水平位移和桩墙身挠曲变形影响;（2）坑内过度降排水导致桩墙外围土层固结和次固结沉降;（3）坑外过度抽排水导致坑外砂土流失;（4）基坑坑底土体原因，地基土出现回弹、塑性隆起;（5）基坑内支撑折除换撑施工刚度不足，不对称传力，侧向变形。
有限元数值模拟法基本原理及其在地质构造变形研究中的应用综述
有限元数值模拟法基本原理及其在地质构造变形研究中的应用综述向用发 ，卢玺，徐宇浩，樊其志（重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆401331）摘要：在构造变形研究中，传统的构造解析法存在一定局限性，而数值模拟方法可模拟时空变化，成为地球科学研究的重要手段。
有限元法是一种模拟线性、变形问题较为高效的数值模拟法。
本文详细阐述了有限元法的基本原理，并从地质模型、力学模型、计算模型三个方面解释了数值模型的建立过程，以及模型建立所需要的边界条件的确定方法，重点总结了近些年来有限元法在国内外构造变形研究中的应用和发展状况，涉及盆地、造山带、断层、俯冲带以及褶皱数值模拟等几方面内容。
同时，分析了有限元数值模拟法在我国大陆构造变形中的应用进展。
最后，讨论了有限元方法尚存在的问题及其发展趋势。
关键词：有限元法；构造变形；数值模拟中图分类号：P542文献标识码：A文章编号：1006-0995（2019）04-0581-08DOI：10.3969/j.issn.1006-0995.2019.04.011传统的构造解析法是推断地质构造变形演化过程的重要手段，但是由于构造演化的动力学机制可以从不同的侧重点进行分析，且对地质过程的理解也不尽相同，所以传统地质分析方法在研究构造变形机制中存在局限性。
物理模型方法虽然能够帮助人们理解构造变形的演化过程，但此方法受到时空限制，不能有效的模拟出地质构造形态的复杂性与岩石物理性质的多样性[1]。
随着高性能计算机技术和图形处理的快速发展，数值模拟的计算理论和计算方法已经越来越成熟，在大陆构造变形研究方面，从20世纪60年代的定性研究到后来的半定量甚至定量化研究，数值模拟成为了构造变形研究中新的定量化方法，其应用已涉及岩石圈流变学的模拟，褶皱、断层的模拟，造山带、俯冲带与盆地的模拟等内容。
数值模拟方法可以综合利用地质、地球物理、地球化学等方法建立反映时空变化的各种地质模型[2]，尤其适合大陆构造变形和造山带动力学等在空间和时间上跨度很大的领域的研究[3]。
基于Abaqus基坑支护数值模拟
基于Abaqus基坑支护数值模拟为了准确评估基坑开挖过程中的土体变形、受力特性及支护对开挖基坑的加固影响规律，利用ABAQUS软件建立了二维有限元数值模型，对基坑开挖和支护过程中的变形和受力进行了数值模拟，并对比分析了现场监测数据和数值模拟结果，模拟计算所得土体、围护结构的位移与监测值进行对比分析，发现数值模拟结果与监测数据吻合较好，说明所建模型的正确性及该数值模拟与实际情况有较高匹配度，研究结果可为深基坑土方的开挖、支护提供理论依据。
标签：有限元模型;数值模拟;监测数据;对比分析前言随着我国城市化建设的高速发展，基坑工程中发生事故的概率逐渐上升，基坑工程因此越来越重视[1] 。
目前国内对于基坑安全稳定性计算方法主要有三种，包括有极限平衡法、土抗力法和有限元法等。
极限平衡法运用广泛，其原理相对较简单，但是它无法分析研究检测过程中产生的位移、应变等。
土抗力法仅考虑三种极限状态下的土压力，即主动、被动和静止土压力，由于假设条件为完全弹性、平面滑裂等情况，导致计算结果与实际情况相差甚远[2] 。
有限元法相比于极限平衡法和土压力法就显得比较灵活，它不仅可以分析应变、位移等数据，还可以处理分析区域的复杂特征和边界条件[3-5]。
一基坑支护数值模型建立1基本假定为了突出问题本质，作如下假设：（1）假设模型中岩土体是均匀的、各向同性的弹塑性体，按照平面应变单元计算;（2）假设支护结构为完全弹性体;（3）因为采取了基坑降排水措施和设有止水帷幕，所以在基坑开挖的过程中不存在渗流的影响，（4）假设未进行开挖的土方在自身重力作用下保持固结状态，不关注土体最初的应力情况;（5）假设施工的过程中，对基坑周围土体的力学情况未造成影响。
高度为桩长的2倍以上，本次支护桩的长度15.4m，入岩深度为3m，因此模型宽度为100m，深度为100m，基坑形状为对称结构，取基坑的一半建立二维平面模型，岩土体均采用弹塑性模型，塑性模型采用库伦摩尔模型，单元类型选用平面应变模型。
矿山开采过程中的岩体稳定数值模拟与分析
根据矿区实际情况，建立三维模型，包括矿体 、围岩和节理裂隙等
边界条件
根据工程实际情况，设置模型的边界条件，包括 位移约束和应力边界条件
初始条件
根据地质勘察资料，设置模型的初始应力场和位移 场
模拟过程
进行开挖模拟，分析不同开挖阶段的岩体变形和 应力分布情况
结果分析
对模拟结果进行分析，包括位移场、应力场、塑性区分 布等，评估岩体的稳定性
监测预警系统
建立监测预警系统，实时监测岩体的位移、应力、应变等参数，及 时发现失稳征兆。
数值分析预测
通过数值模拟分析，预测岩体的应力分布和变形趋势，提前预警可 能发生的失稳。
经验判断法
根据地质勘察和工程实践经验，判断岩体失稳的可能性，采取相应的 预防措施。
岩体稳定性控制措施
锚杆支护
采用锚杆对岩体进行加 固，提高岩体的整体稳
研究不足与展望
目前数值模拟在矿山开采过 程中对岩体稳定性的分析仍 存在一定的局限性，如模型 简化、边界条件设定、参数 选取等方面存在不确定性， 需要进一步完善和改进模拟 方法。
采场顶板和采空区处理是矿 山开采过程中的重要问题， 但目前数值模拟在解决这些 问题时仍存在一些挑战，如 大变形、非线性、多场耦合 等问题的处理需要进一步研 究和探索。
02
矿山开采基本原理与技 术
矿山开采方法
01
02
03
露天开采
将矿体周围的岩体剥离， 将矿石运出。
地下开采
通过矿井进入矿体，将矿 石运出。
特殊开采方法
如溶浸法、原地破碎法等 。
岩体工程地质性质
岩体的物理性质
01
如密度、孔隙率、含水率等。
岩体的力学性质
数值模拟在采矿工程中的应用
数值模拟在采矿工程中的应用在采矿工程中，围岩的稳定性和岩层的控制工作格外重要，数值模拟具有较强的开放性和兼容性，能够有效解决传统分析方法中存在的问题，因此，在采矿工程中得到了较为广泛的应用。
文章就来分析一下当前采矿工程中的需要注意的问题和数值模拟在采矿工程中的具体应用。
标签：数值模拟；采矿工程；问题；应用随着计算机技术的迅速发展，数值模拟发在采矿工程中得到了越来越广泛的应用。
数值模拟方法主要包括有限元法、有限差分法、半解析元法、边界元法、刚体元法、加权余量法、离散元法、非连续变性分析法、流行元法和无界元法等，其中，有限元法的应用是最广泛的。
有限元法最早应用与航空航天领域，二十世纪六十到七十年代开始，有限元算法的分析软件开始被研究和开发出来，但是，这些分析软件都不是针对采矿工程开发的，因此，在采矿工程中进行应用时面临着较大的困难。
而后，针对采矿工程行业的数值分析软件就应运而生了，这些软件的自动建模能力较强，而且程序的开放性较强。
1 当前采矿工程中存在的问题1.1 采场的围岩控制问题采场围岩控制问题主要指的是岩体结构的破断问题、岩块的稳定状态、结构失稳后的形态变化情况等的控制。
采场围岩的坚固性是随着工作面的推进增加的，然后从连续体破断为块体，块体重新排列后会形成自然结构，自然结构在覆岩自重的作用下运用和变化，最终会出现失稳的情况，造成地表塌陷。
采动应力指的是矿体采出以后，在围岩内重新形成的压力场，采动应力也是岩体出现破裂、变形和运动的根源。
然而，由于原岩应力和开采后应力场得测定存在困难，因此，采动应力无论是在现场测定还是理论方面都不够成熟。
在采动应力的影响下，采动岩体会出现变形甚至破裂的情况，破裂后的块状围岩体会形成堆砌结构，如果堆砌结构失稳，将会出现岩体运动，然后形成新的块状堆砌结构。
对于大部分煤矿采动覆岩来说，及时垮落的情况是常见的也是必须存在的，不然，工作面的安全将会受到严重威胁。
然而，覆岩的垮落对形成采场来压，使岩层内部出现离层和缝隙，从而使水体和气体产生位移，最终造成地表塌陷，对地面道路、建筑、环境和水体造成严重危害。
ABAQUS软件对隧道开挖过程的模拟
ABAQUS 软件对隧道开挖过程的模拟一、ABAQUS 在岩土工程中应用简介:岩土工程中的开挖问题主要就是指隧道、基抗的开挖。
这些问题的施工过程常常较为复杂,如分步骤开挖,支挡结构的施工等,常规的分析方法处理起来十分困难,往往需要通过有限元对支护结构的内力与变形,周围土体的位移等进行分析。
ABAQUS 由于其本身强健的非线性求解功能,在工业界被公认为技术最先进的非线性有限元分析软件,与传统商业软件不同,ABAQUS 就是专门为解决工程中困难问题而发展并逐渐被广大用户推崇的超级通用有限元软件。
因此,本文将采用ABAQUS 软件对隧道开挖过程进行模拟及分析。
二、隧道开挖过程问题简介:1、模型简介:某个地下隧道,由一个混凝土的衬砌支持。
建造这样一个隧道,涉及到一个非常复杂的土木工程过程。
工程界希望能通过数值模拟预测与验证设计建造过程中的各种问题,以加快建造过程与优化建造成本,并且最大程度的保证安全性。
2、几何特性:隧道直径8米,在地下20米,隧道周围黏土的本构简化为线弹性(E=200MPa,0.2ν=,220kN/m γ=),混凝土衬砌(E=19GPa,0.2ν=),厚度为0、15米。
图1 模型示意图3、分析思路:隧道的开挖与其她开挖问题类似,其实质主要就是应力的释放。
如果没有衬砌的施工,那问题很简单,只要在建立初始应力之后,移除开挖单元即可。
但实际工程中,隧道的开挖施工步骤就是十分复杂的,涉及到灌浆、卡极为、衬砌施工等。
而在有限元计算中衬砌等支护结构施工的模拟尤为重要,特别就是衬砌单元激活的时机,若在开挖区域单元移除之前激活不符合真实工程中的施工顺序,衬砌施工时土体应力已有所释放;而若在单元移除之后进行则应力早已完全释放,衬砌起不到支撑的作用。
为了解决这一问题,研究人员们提出了以下两种方法:1、在衬砌施工前,将开挖区单元的模量降低,移除来模拟应力释放效应。
2、首先将开挖面上的节点施加约束,得到与初始应力平衡的节点力。
基于有限元的基坑明挖施工中支护结构变形监测方法
2022年第1期工程勘察Geotechnical Investigation &Surveying55基于有限元的基坑明挖施工中支护结构变形监测方法张俊(南京晓庄学院，南京211171)摘要：针对变形监测结果精度较低，与实际值偏差较大的问题，提出基于有限元的基坑明挖施工中支护结构变形监测方法。
以天河机场南北联通隧道基坑明挖工程为例，利用有限元法数值模拟 复合土钉墙和下部锚拉桩墙组合体系，依据数值计算结果设计组合支护体系，并针对不同监测对 象设置相应的监测方案，监测基坑明挖施工中支护结构水平位移、竖向位移、侧向位移以及各项 支撑轴力的变形情况。
监测结果表明，该方法监测得到的支护结构上部复合土钉墙的最大水平位 移为23. 12mm、地下连续墙墙体最大水平位移为27.32mm,与实际值相差较小；且监测得到的桩 体侧向位移、钢支撑轴力、钢筋混凝土支撑轴力、地表周围竖向位移均与实际值相近，说明该方 法具备较高的支护结构变形监测精度，可有效判断支护结构的安全状况。
关键词：有限元；基坑明挖；支护结构；变形监测；水平位移；支撑轴力中图分类号：TU470.+3 文献标识码：ADeformation monitoring of support structure in open excavation offoundation pit based on finite element methodZhang Jun{ N a n j i n g X i a o Z h u a n g U n iv e r s ity，N a n jin g 211171,C h in a )A b s tr a c t：In view of the problem that the accuracy of deformation monitoring results is low,a deformationmonitoring method of support structure in open excavation construction of foundation pit based on finite element method is proposed.Taking the open excavation of the foundation pit of the North-South connecting tunnel of Tianhe Airport as an example,the composite soil nailing wall and the lower anchor pile wall composite system are simulated by the finite element method.The composite support system is designed according to the numerical calculation results,and set up corresponding monitoring programs for different monitoring objects to monitor the horizontal displacement,vertical displacement,lateral displacement and the deformation of various supporting axial forces in the open excavation of the foundation pit.The monitoring results show that：the maximum horizontal displacement of the composite soil nailing wall supported by this method is 23. 12mm,and the maximum horizontal displacement of the underground continuous wall is27. 32mm,which has less difference with the actual value；And the lateral displacement of the pile,the axial force of the steel support,the axial force of the reinforced concrete support,and the vertical displacement around the ground are all close to the actual value,which shows that the method has high accuracy of deformation monitoring of the supporting structure and can effectively determine the safety of the protective support structure.K e y w o r d s：finite element method；open excavation of foundation pit；support structure;deformation monitoring；horizontal displacement；supporting axial force〇引言当下基坑明挖施丁中支护结构体系普遍运用的 支护体系，不能对基坑的受力情况和变形状况进行 有效控制，并且将复合土钉和锚拉粧墙这两种支护 模型进行组合时，仅是将二者进行表面叠加，没有从根本上发挥各自优势以及二者的组合作用因此，可将有限元法应用到支护结构设计以及变形收稿日期：2021-01-29;修订日期：202丨-03-10作者简介：张俊（1988-),男（汉族），江苏扬州人，硕士，T.程师.56工程勘察Geotechnical Investigation &Surveying2022年第1期监测中。
基于 ANSYS 有限元软件的隧道开挖支护数值模拟分析
基于 ANSYS 有限元软件的隧道开挖支护数值模拟分析党晓宇;陈蔚;吴志伟;唐冉松【摘要】In order to explore the stress of structure in the process of tunnel excavation,this paper,based on Fenshui tunnel project inChongqing,simulates the real excavation process of highway tunnel by using fi-nite element analysis software.It mainly analyzes changes of stress,displacement and bending moment during the tunnel excavation process in order to judge the stability of surrounding rock in the different stages of con-struction .The calculation results show that the stress concentration mainly appear in the side walls,vaults and the bottom of arches,therefore the support in these key areas should be properly strengthened.%为了探究隧道开挖过程中结构的受力情况，文章依托位于重庆的分水隧道工程，利用有限元软件模拟公路隧道真实开挖过程，通过分析隧道围岩开挖过程中结构的应力、位移和弯矩的变化，实时判断施工各阶段围岩的稳定性。
计算结果表明，在隧道开挖过程中，应力集中主要出现在边墙、拱顶和拱底，因此应适当加强这些重点部位的支护。