計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)論文

研究生課程考核試卷科目： 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn) 教師： 姓名： 學(xué)號(hào)： 專業(yè)： 類別： 上課時(shí)間： 2016 年 4 月 至 2016 年 5 月 t考生成績：卷面成績 平時(shí)成績 課程綜合成績閱卷評語：閱卷教師 (簽名)重慶大學(xué)課程論文 基于 FLAC3D 的矩形隧道開挖設(shè)計(jì)1基于 FLAC3D 的矩形隧道開挖分析1 引言FLAC3D 是一個(gè)開放的系統(tǒng)，通過其命令驅(qū)動(dòng)模式使得用戶可以參與從網(wǎng)格模型的建立、邊界條件的設(shè)置、參數(shù)的調(diào)試到計(jì)算結(jié)果的輸出等幾乎全部求解過程。本文擬從矩形隧道的開挖模擬全過程來更好地熟悉和掌握 FLAC3D 的使用。隧道工程的開挖，會(huì)使開挖區(qū)周圍巖土體的應(yīng)力重新進(jìn)行分布，開挖區(qū)的應(yīng)力釋放及變形也對邊坡的穩(wěn)定性造成影響，因此隧道開挖具有一定實(shí)際意義。1.1 問題描述本文討論“矩形斷面隧道施工設(shè)計(jì)” ，矩形斷面寬 5m，高 4m，考慮隧道不同埋深，不同水平應(yīng)力對隧道圍巖穩(wěn)定性影響。模型采用各項(xiàng)同性巖體，Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，巖體力學(xué)參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)自己選取。注：考慮埋深與水平應(yīng)力不少于三種情況。表 1.1 為本文在編程中選取的力學(xué)參數(shù)。表 1.1 巖層物理力學(xué)參數(shù)巖性 /kgm-3 K/Pa c/MPa /() Rm/MPa G/Pa泥巖 2530 5e9 0.8 28.61 0.1 1e92 建模過程2.1 模型建立由于矩形模型具有對稱性，可以采用 1/4 模型進(jìn)行分析。首先建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的遠(yuǎn)點(diǎn) O 設(shè)置在模型對稱軸的點(diǎn)，水平向右為 x 方向，豎直向上為 z 方向，垂直于分析平面的方向?yàn)?y 方向。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，建模使用平行六面體隧道外圍漸變放射網(wǎng)格單元，如下圖 2.1，建立網(wǎng)格單元后利用鏡像生成完整網(wǎng)格。重慶大學(xué)課程論文 基于 FLAC3D 的矩形隧道開挖設(shè)計(jì)2圖 2.1 平行六面體隧道外圍漸變放射網(wǎng)格單元網(wǎng)格建立的命令如下：new;=建立模型=generate zone radtunnel p0 0 0 0 p1 25 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 20 ;鏡像生成網(wǎng)格plot add surface yellow sav model.sav2.2 初始應(yīng)力計(jì)算網(wǎng)格建立后，將網(wǎng)格賦值為 Mohr 模型，對邊界條件和力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。本設(shè)計(jì)中設(shè)定的力學(xué)參數(shù)如表 1.1 中所示，對 x 兩側(cè)、y 兩側(cè)、z 底面的邊界進(jìn)行速度約束。newrestore model.sav;=設(shè)置強(qiáng)度準(zhǔn)則=model mohrprop bulk=5e9 shear=1e9 coh 8e5 fri 28.61 ten 1e5 initial density 2.53e3;=初始邊界條件=fix x range x -24.9 -25.1重慶大學(xué)課程論文 基于 FLAC3D 的矩形隧道開挖設(shè)計(jì)3fix x range x 24.9 25.1fix y range y -10.1 -9.9fix y range y 9.9 10.1fix z range z -19.9 -20.1set gravity 0 0 -9.81apply szz -5.02e6 range z 19.9 20.1ini szz -5.02e6ini sxx -1e6ini syy -1e6 pl bl stset mech ratio 1e-4solve save stress_initial.sav由于要考慮不同埋深和不同水平應(yīng)力的影響，本文中選取埋深分別為200m、400m、600m ，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的取值如表 2.1 所示。表 2.1 垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力取值編號(hào) Szz（Pa ） sxx（Pa ） syy（Pa）1# -5.02e6 -1e5 -1e52# -5.02e6 -1e6 -1e63# -5.02e6 -1e7 -1e74# -10.04e6 -1e6 -1e65# -15.07e6 -1e6 -1e6在初始應(yīng)力設(shè)置過程中需要對程序中相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改，編號(hào) 1、2 、3 三組為同一埋深下三種不同水平應(yīng)力設(shè)置，編號(hào) 2、4 、5 為同一水平應(yīng)力下三組不同埋深（即垂直應(yīng)力）設(shè)置。編號(hào) 1#初始應(yīng)力參數(shù)設(shè)置為:apply szz -5.02e6 range z 19.9 20.1ini szz -5.02e6ini sxx -1e5ini syy -1e5編號(hào) 2#初始應(yīng)力參數(shù)設(shè)置為:apply szz -5.02e6 range z 19.9 20.1ini szz -5.02e6ini sxx -1e6重慶大學(xué)課程論文 基于 FLAC3D 的矩形隧道開挖設(shè)計(jì)4ini syy -1e6編號(hào) 3#初始應(yīng)力參數(shù)設(shè)置為:apply szz -5.02e6 range z 19.9 20.1ini szz -5.02e6ini sxx -1e7ini syy -1e7編號(hào) 4#初始應(yīng)力參數(shù)設(shè)置為:apply szz -10.4e6 range z 19.9 20.1ini szz -10.4e6ini sxx -1e6ini syy -1e6編號(hào) 5#初始應(yīng)力參數(shù)設(shè)置為:apply szz -15.07e6 range z 19.9 20.1ini szz -15.07e6ini sxx -1e6ini syy -1e62.3 開挖過程模擬設(shè)置好初始應(yīng)力后，在進(jìn)行開挖模擬前要將初始應(yīng)力計(jì)算過程中產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)位移的速度進(jìn)行清零處理，程序如下：newrestore stress_initial.sav;開挖;ini xdis 0 ydis 0 zdis 0ini xvel 0 yvel 0 zvel 0model null range gr 巷道solvesave excavation.sav3 結(jié)果分析3.1 初始應(yīng)力分析首先對模型施加初始應(yīng)力后計(jì)算得到的豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力進(jìn)行分析，圖 3.1、3.2 為不同埋深和不同水平應(yīng)力下的初始豎向應(yīng)力云圖和初始水平應(yīng)力云圖。重慶大學(xué)課程論文 基于 FLAC3D 的矩形隧道開挖設(shè)計(jì)5(a) 1# (b) 2#(c) 3# (d) 4#(e) 5#圖 3.1 初始豎向應(yīng)力云圖通過對圖 3.1 中(a)、(b) 、(c) 可以看出在同一埋深 200m 下，1e5、1e6 、1e7Pa 水平應(yīng)力下，最大豎向應(yīng)力先增加后減少，但差別不大，分布在模型底端，最大值大約為6e6Pa，但豎向應(yīng)力云圖的分布稍有差別，說明同一埋深下不同水平應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致豎向應(yīng)力發(fā)生變化。通過對圖 3.1 中(b)、(d) 、(e)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在同一水平應(yīng)力 1e6Pa 下，200m 埋深下最大豎向應(yīng)力為 6.07e6Pa，400 米埋深下最大豎向應(yīng)力為 1.09e7Pa，600 米埋深下最大豎向應(yīng)力為 1.59e7Pa，即隨著埋深成倍增加，最大豎向應(yīng)力也大致成倍增加，這也與事實(shí)情況相符。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，隨著埋深增加，豎向應(yīng)力開始向模型 XZ 平面豎直對稱面集中，說明豎直應(yīng)力的增加對模型中部的影響高于對邊界處的影響。表 3.1 初始豎向應(yīng)力、初始水平應(yīng)力最值編號(hào)最大初始豎向應(yīng)力（Pa ）最小初始豎向應(yīng)力（ Pa）最大初始水平應(yīng)力（ Pa）最小初始水平應(yīng)力（ Pa）1# 6.02 e6 5.10 e6 1.95 e6 1.25 e62# 6.06 e6 5.02 e6 1.72 e6 9.93 e5重慶大學(xué)課程論文 基于 FLAC3D 的矩形隧道開挖設(shè)計(jì)63# 5.82 e6 5.01 e6 1.05 e7 1.00 e74# 1.09 e7 1.00 e7 4.24 e6 3.54 e65# 1.59 e7 1.50 e7 7.04 e6 6.38 e6(a) 1# (b) 2#(c) 3# (d) 4#(e) 5#圖 3.2 初始水平應(yīng)力云圖在圖 3.2 中可以看到隨著深度的增加，水平應(yīng)力增大，在圖 3.2(a)、(b)、(c)中，同一埋深下，隨著水平應(yīng)力的增加，最大水平應(yīng)力和最小水平應(yīng)力均先減小后增大，初始水平應(yīng)力的變化并不隨施加的水平應(yīng)力的變化而線性變化。圖 3.2 中(b)、(d)、(e) 顯示同一水平應(yīng)力下，隨著埋深線性增加，最大水平應(yīng)力和最小水平應(yīng)力均大致呈線性增加，且水平應(yīng)力云圖分布發(fā)生變化，模型水平應(yīng)力分布呈擴(kuò)散趨勢。3.2 開挖分析3.2.1 開挖后塑性區(qū)分析在 FLAC3D 中采用摩爾庫倫模型進(jìn)行模擬時(shí)，可以通過 block state 顯示哪些應(yīng)力符合屈重慶大學(xué)課程論文 基于 FLAC3D 的矩形隧道開挖設(shè)計(jì)7服準(zhǔn)則的區(qū)域（或稱塑性區(qū)） ，以觀察潛在破壞區(qū)域的范圍。塑性區(qū)標(biāo)識(shí)以不同的顏色顯示兩種類型的破壞機(jī)制即剪切破壞（shear failure）和拉伸破壞（tensile failure）：某一區(qū)域的應(yīng)力正位于屈服面上，或者說正處于破壞狀態(tài)時(shí)，以 shear-n 或 tension-n 標(biāo)識(shí)；某一區(qū)域在計(jì)算過程中曾進(jìn)入過屈服狀態(tài)，但現(xiàn)在已經(jīng)退出，以 shear-p 或 tension-p 標(biāo)識(shí)。(a) 1# (b) 2#(c) 3# (d) 4#(e) 5#圖 3.3 開挖后塑性區(qū)分布圖從圖 3.3 中可以看到本文中的 5 個(gè)模型都存在塑性區(qū)，表明塑性流動(dòng)正在發(fā)生。由于本文中沒有對隧道進(jìn)行監(jiān)護(hù)，隧道破壞也是正常的。但 5 個(gè)模型中塑性區(qū)的分布存在差別，由圖 3.3(a)、(b) 、(c) 我們可以看到，隨著水平應(yīng)力的增加，塑性區(qū)范圍縮小，剪切破壞區(qū)變小，未破壞區(qū)域變大。重慶大學(xué)課程論文 基于 FLAC3D 的矩形隧道開挖設(shè)計(jì)8比較 3.2 中(b) 、(d) 、(e)發(fā)現(xiàn)同一水平應(yīng)力下，隨著埋深增加，紅色和灰色區(qū)域增多，藍(lán)色區(qū)域和黃色區(qū)域變小，塑性流動(dòng)發(fā)生的區(qū)域增多，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)隧道上下底面先進(jìn)入屈服狀態(tài)，即上下底面先發(fā)生塑性破壞。3.2.2 開挖后豎向應(yīng)力云圖分析開挖后豎向應(yīng)力在隧道左側(cè)和右側(cè)巖壁中心線附近達(dá)到最大值，在隧道上底面和下底面中心線附近有最小值。由表 3.2 可以清楚地看到，隨著水平應(yīng)力的的增加，最大豎向應(yīng)力減小；隨著埋深的增加，最大豎向應(yīng)力增大。對模型底部來說，四角的豎向應(yīng)力比底部中部受的豎向應(yīng)力要大，由隧道左壁向模型左底角、隧道右壁向模型右底角區(qū)域有豎向應(yīng)力集中現(xiàn)象。隧道上底面向模型頂部部分和隧道底部向模型底部部分受豎向應(yīng)力較小。(a) 1# (b) 2#(c) 3# (d) 4#(e) 5#圖 3.4 開挖后豎向應(yīng)力云圖3.2.3 開挖后豎向位移云圖分析圖 3.4 為 5 中情況下開挖后豎向位移云圖，由圖中可以看到，隧道上底面和下底面豎向變形較大，所以在不支護(hù)的情況下可能冒頂和底面拱起；開挖后，上底面的最大豎向位重慶大學(xué)課程論文 基于 FLAC3D 的矩形隧道開挖設(shè)計(jì)9移絕對值會(huì)比下底面的最大豎向位移絕對值大。比較圖 3.4(a)、(b) 、(c) 發(fā)現(xiàn)，隨著水平應(yīng)力的增大，隧道頂部和底部的最大豎向位移均增大；比較圖 3.4 中(b)、(d) 、(e) 發(fā)現(xiàn)，埋深由 200m 增加到 400m 時(shí)，隧道頂部最大豎向位移由 1.67e-2m 增大到 3.65e-2m，隧道底部的最大豎向位移由 1.23e-2m 增加到 3.25e-2m，隧道頂部和底部的增長基本一致，而當(dāng)埋深由 400m 增加到 600m 時(shí)，隧道頂部的最大豎向位移由 3.65e-2m 增大到 6.91e-2m，隧道底部的最大豎向位移由 3.25e-2m 只增大到3.98e-2m，增長幅度明顯小于前一次增加埋深時(shí)的增長值，說明此時(shí)隧道下底面最大豎向位移受埋深影響較小，埋深主要影響到隧道