FLAC3D計(jì)算隧道作業(yè)

1、 在某級(jí)圍巖中開挖一半圓拱直墻形隧道，隧道跨度10m，邊墻高5m，隧道埋深500m，假設(shè)圍巖為理想彈塑性材料，請(qǐng)采用有限元或有限差分方法分析以下問題： （1）自重應(yīng)力場(chǎng)作用下隧道開挖后的拱頂下沉和邊墻水平收斂大小以及圍巖中的塑性區(qū)大小。 （2）若側(cè)壓系數(shù)為0.52.5，請(qǐng)分析構(gòu)造應(yīng)力對(duì)隧道拱頂下沉、邊墻水平收斂大小以及塑性區(qū)的影響。（3）若開挖后采用錨噴支護(hù)，在隧道拱部和邊墻布設(shè)系統(tǒng)錨桿，錨桿為全長(zhǎng)錨固的金屬錨桿，垂直于洞壁布設(shè)，間距1.5m，長(zhǎng)度3.0m，直徑25mm。噴射混凝土厚度100mm，標(biāo)號(hào)為C20，請(qǐng)分析支護(hù)效果。本題采用FLAC3D軟件建模計(jì)算分析 隧道未開挖時(shí)的立體模型 隧道開

2、挖后的立體模型第一步，建模由于隧道的半徑為5m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取6倍的隧道半徑為圍巖影響區(qū)，所以取30m為邊界，劃分網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為0.5m ，本題只分析x-z平面上的受力及位移情況即可， 建模命令流如下：new ;建立模型gen zone radcyl p0 0 0 0 p1 30 0 0 p2 0 1 0 p3 0 0 30 size 10 1 10 30 dim 5 5 5 5 ratio 1 1 1 1 group outsiderock ;右上圓形部分圍巖gen zone cshell p0 0 0 0 p1 5 0 0 p2 0 1 0 p3 0 0 5 size 1 1 10 10 dim

3、 4.9 4.9 4.9 4.9 rat 1 1 1 1 group concretliner fill group insiderock ;右上半圓襯砌gen zone radtun p0 0 0 0 p1 0 0 -30 p2 0 1 0 p3 30 0 0 size 10 1 10 30 dim 5 5 5 5 ratio 1 1 1 1 group outsiderock ;右下矩形部分圍巖gen zone radtun p0 0 0 0 p1 0 0 -5 p2 0 1 0 p3 5 0 0 size 10 1 10 1 dim 4.9 4.9 4.9 4.9 ratio 1 1 1

4、 1 group concretliner ;右下矩形部分襯砌gen zone brick p0 0 0 -4.9 p1 add 4.9 0 0 p2 add 0 1 0 p3 add 0 0 4.9 size 10 1 10 ratio 1 1 1 1 group insiderock ;隧道內(nèi)部gen zon reflect dip 90 dd 90 orig 0 0 0 ;關(guān)于z軸對(duì)稱plot block groupplot add axes blacksave jianmo.sav（1）自重應(yīng)力場(chǎng)作用下隧道開挖后的拱頂下沉和邊墻水平收斂大小以及圍巖中的塑性區(qū)大小。圍巖選用M-C模型，參

5、數(shù)的選取：巖體密度（kg/m3）= 2200, 重力加速度（kg/N）=10, 體積模量(Pa)=5e10，剪切模量(Pa)= 1.1e10，摩擦角=30o，粘聚力（N）= 1.8e7，抗拉強(qiáng)度（N/m2）=1e7。在Z=30m平面處施加的應(yīng)力為h=22000×(500-30)=10.34 e6N/m2。命令流如下；;邊界條件fix z range z -30.01 -29.99 fix x range x -30.01 -29.99 fix x range x 29.99 30.01 fix y range y -0.01 0.01 fix y range y 0.99 1.01

6、apply szz -10.34e6 range z 29.99 30.01 ;設(shè)置初始應(yīng)力狀態(tài)model mohr set gravity 0 0 -10 ;設(shè)置重力ini density 2200 ;圍巖的密度prop bulk=5e10 shear=1.1e10 fric=30 coh=0.18e7 ten=1e7 ;體積模量、剪切模量、摩擦角、粘聚力、抗拉強(qiáng)度set mech ratio=1e-4 plot block statesolve ;求解自重應(yīng)力場(chǎng)save Gravsol.sav plot block group plot add axes red ;毛洞開挖計(jì)算initia

7、l xdisp=0 ydisp=0 zdisp=0 model null range group insiderock any group concretliner anyset mech ratio=1e-4hist unbhist gp zdisp 0 0 5 hist gp xdisp 5 0 -2plot block state solve ;save maodong0.0.sav計(jì)算結(jié)果如下圖所示： 未開挖時(shí)的隧道 開挖后毛洞塑性區(qū) 開挖毛洞后z方向上的位移云圖 開挖毛洞后x方向的位移云圖 開挖毛洞后Z方向的位移曲線 開挖毛洞后X方向的位移曲線 開挖毛洞后z方向的應(yīng)力 開挖毛洞后x方

8、向的應(yīng)力可以看到開挖毛洞后未支護(hù)的情況下，拱頂下沉4.775mm，邊墻水平收斂2.996mm，圍巖塑性區(qū)如上圖所示。（2）當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為0.52.5時(shí)的影響側(cè)壓力系數(shù)為0.5時(shí)，命令流如下：model mohr set gravity 0 0 -10 ;設(shè)置重力ini density 2200 ;圍巖的密度prop bulk=5e10 shear=1.1e10 fric=30 coh=0.18e7 ten=1e7 ;體積模量、剪切模量、摩擦角、粘聚力、抗拉強(qiáng)度ini szz -11e6 grad 0 0 22000 ;設(shè)置初始應(yīng)力狀態(tài)ini sxx -5.5e6 grad 0 0 11000i

9、ni syy -5.5e6 grad 0 0 11000;給定邊界條件fix x range x -30.01 -29.99fix x range x 29.99 30.01fix y range y -0.01 0.01 fix y range y 0.99 1.01 fix z range z -30.01 -29.99fix z range z 29.99 30.01plot block group plot add axes red ;毛洞開挖計(jì)算model null range group insiderock any group concretliner anyset mech r

10、atio=1e-4hist unbhist gp zdisp 0 0 5 hist gp xdisp 5 0 -2plot block state solve ;save maodong0.5.sav不同的側(cè)壓力系數(shù)的命令流，只需修改不同的初始應(yīng)力狀態(tài)的命令即可，在此對(duì)側(cè)壓力系數(shù)分別為1.0 , 1.5 , 2.0 , 2.5的情況，不再重復(fù)添加命令流。側(cè)壓力系數(shù)不同開挖后的塑性區(qū)如下圖所示： =0.5 =1.0=1.5 =2.0 =2.5隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，隧道頂部和邊墻的塑性區(qū)都在逐漸擴(kuò)大，且拱頂擴(kuò)大的更多，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為2.5時(shí)，塑性區(qū)急劇擴(kuò)大而不能自穩(wěn)。不同的側(cè)壓力系數(shù)開挖后Z方向的

11、位移云圖如下： =0.5 =1.0 =1.5 =2.0=2.5不同的側(cè)壓力系數(shù)拱頂處Z方向的位移曲線如下： =0.5 =1.0 =1.5 =2.0=2.5不同的側(cè)壓力系數(shù)X方向的位移云圖如下: =0.5 =1.0 =1.5 =2.0=2.5不同的側(cè)壓力系數(shù)X方向的位移曲線如下: =0.5 =1.0 =1.5 =2.0=2.5不同的側(cè)壓力系數(shù)X方向的應(yīng)力云圖如下： =0.5 =1.0 =1.5 =2.0=2.5不同的側(cè)壓力系數(shù)Z方向應(yīng)力云圖如下： =0.5 =1.0 =1.5 =2.0=2.5側(cè)壓力系數(shù) 0.51.01.52.02.5拱頂豎直位移（mm）2.8612.9884.2176.2228

12、.142邊墻水平位移 (mm)2.0523.2534.9497.2009.963可以看到隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，拱頂豎直位移和邊墻水平位移都相應(yīng)增加，且水平位移增加的速度比豎直位移增加的速度快。塑性區(qū)隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大而增加，且拱頂處的塑性區(qū)增加的多。這說明水平的構(gòu)造應(yīng)力對(duì)邊墻的水平位移和拱頂?shù)乃苄詤^(qū)影響較大。（3）開挖隧道后采用錨噴支護(hù)：命令流如下：restore Gravsol.savplot block group plot add axes red ;毛洞開挖計(jì)算initial xdisp=0 ydisp=0 zdisp=0 model null range group insider

13、ock any group concretliner anyhist unbhist gp zdisp 0 0 5 hist gp xdisp 5 0 -2step 100 ;計(jì)算開挖100步后進(jìn)行支護(hù);模筑襯砌計(jì)算model elas range group concretliner any ini density 2500 range group concretliner any ;襯砌混凝土的密度prop bulk=26.67e10,shear=22.5e10 range group concretliner any ;襯砌混凝土的體積彈模、剪切彈模;加錨桿sel cable id=1b

14、egin-500 end-8 00 nseg=4sel cable id=2begin-4.755301.5451end-7.608502.4721nseg=4sel cable id=3begin-4.045102.9389end-6.472104.7023nseg=4sel cable id=4begin-2.938904.0451end-4.702306.4721nseg=4sel cable id=5begin-1.545104.7553end-2.472107.6085nseg=4sel cable id=6begin005 end0 08 nseg=4sel cable id=7b

15、egin1.545104.7553end2.472107.6085nseg=4sel cable id=8begin2.938904.0451end4.702306.4721nseg=4sel cable id=9begin4.045102.9389end6.472104.7023nseg=4sel cable id=10begin4.755301.5451end7.608502.4721nseg=4sel cable id=11begin500 end8 00 nseg=4sel cable id=12begin50-1.25 end8 0-1.25nseg=4sel cable id=13

16、begin50-2.5 end8 0-2.5nseg=4sel cable id=14begin50-3.75 end8 0-3.75nseg=4sel cable id=15begin50-5 end8 0-5nseg=4sel cable id=16begin-50-1.25 end-8 0-1.25nseg=4sel cable id=17begin-50-2.5 end-8 0-2.5nseg=4sel cable id=18begin-50-3.75 end-8 0-3.75nseg=4sel cable id=19begin-50-5 end-8 0-5nseg=4;錨桿力學(xué)參數(shù)sel cable prop xcarea = 49e-4 emod = 45e10 ytens = 28e9 gr_k = 1.5e8 gr_coh = 16e6set mech ratio=1e-4 plot block state solve ;支護(hù)后計(jì)算結(jié)果如下圖： 支護(hù)前塑性區(qū) 支護(hù)后塑性區(qū) 錨桿應(yīng)力 錨桿