城市地鐵隧道盾構(gòu)法施工地表沉降分析1

1、武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)論文日城市地鐵隧道盾構(gòu)法施工地表沉降分析cities metro shield tunneling surface subsidence analysis 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 摘 要淺埋暗挖隧道上覆地層己無(wú)自承載能力，荷載應(yīng)全部由隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)，但實(shí)際上，不但是土層，即使是干砂，地層仍能形成自然載拱。大量資料表明，隨著地基土層壓縮模量的增加，地面沉降逐漸減小。在土層壓縮模量較小時(shí)，地面沉降和水平位移受模量的變化影響很大，隨著盾構(gòu)外徑的增大，則由盾構(gòu)施工引起的單位長(zhǎng)度的地層損失就隨著增大，在相同地面沉降槽寬度的情況下，最大地面沉降也隨著增大；而隧道覆土厚度越大，則最大地面

2、沉降值就會(huì)越小，但地面沉降槽寬度會(huì)越大。最大地面沉降隨覆土厚度與盾構(gòu)外徑的比值即hd的增大而減小。土壓艙壓力過(guò)大，則地面隆起，壓力過(guò)小，則地面產(chǎn)生沉降。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)糾偏、叩頭、抬頭、曲線推進(jìn)等造成的超挖都會(huì)使得實(shí)際開(kāi)挖面大于設(shè)計(jì)開(kāi)挖面，從而引起多余的地層損失。在盾構(gòu)暫停推進(jìn)時(shí)，千斤頂漏油回縮而可能引起盾構(gòu)后退，使開(kāi)挖面土體坍落或松動(dòng)，造成地層損失。由于盾構(gòu)殼具有一定的厚度，為了便于管片的拼裝及盾構(gòu)的糾偏而在盾構(gòu)殼與襯砌之間保留有一定的空隙。千斤頂推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)前行時(shí)，在盾尾襯砌管片外圍形成了建筑空隙，使得周?chē)翆右畛浣ㄖ障抖l(fā)生涌向隧道的位移而引起地面沉降。關(guān)鍵詞：盾構(gòu); 沉降; 有限

3、元abstractshallow tunnels overlying strata had no self-load capacity, the load should all by tunnel supporting structure to bear, but in fact, not only the soil, even dry sand, formation can still form a natural arch out. large amounts of data showed that with the foundation soil compression modulus

4、increases, land subsidence decreases. in the soil compression modulus is small, ground subsidence and horizontal displacement modulus changes by a great impact, with the shield diameter increases, caused by shield construction unit length increases as ground loss on in the same slot width of land su

5、bsidence in the case, along with the maximum ground subsidence increases; while the tunnel futuhoudu larger, the smaller the maximum value of ground subsidence, but the ground subsidence trough width is greater. maximum ground subsidence with futuhoudu shield diameter ratio with that of h / d increa

6、ses. earth pressure tank pressure is too large, ground uplift, the pressure is too small, ground settlement produced. shield forward process, shield correction, kowtow, rise, curve propulsion caused overbreak will make more than the actual design of the excavation face excavation face, causing exces

7、s ground loss. shield pause in advance, the jack may cause retraction spill shield back, so that the excavation face slump or loose soil, causing formation damage. the shield casing has a certain thickness, in order to facilitate the assembly and the shield tube sheet corrective shield case and the

8、lining in a certain gap between the retention. jack push shield before the row, the shield tail lining segments forming the building perimeter gap, making the soil around the building to fill the gap occurred flock tunnel caused the displacement of ground subsidence.keywords: finite element; shield

9、; settlement目 錄第1章 緒論11.1 課題的目的、意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1北京地鐵十號(hào)線21.2.2天津地鐵三號(hào)線31.2.3重慶輕軌新線一期31.2.4杭州地鐵2號(hào)線31.3 課題的主要研究?jī)?nèi)容3第2章 盾構(gòu)法施工地表沉降分析方法52.1 影響地表沉降的因素52.1.1地基土體特性的影響52.1.2覆土厚度h和盾構(gòu)外徑d的影響52.1.3土壓艙壓力的設(shè)定及盾構(gòu)推進(jìn)方向的改變52.1.4盾構(gòu)后退52.1.5盾尾注漿填充率52.1.6土體擠入盾尾空隙62.1.7盾構(gòu)推進(jìn)速度的影響62.1.8地下水的影響62.1.9在土壓力的影響62.2施工的主客觀因素進(jìn)行分析72.

10、2.1客觀因素72.2.2主觀因素72.3 盾構(gòu)法施工地表沉降分析方法82.3.1經(jīng)驗(yàn)公式法82.3.2室內(nèi)模擬試驗(yàn)法112.3.3理論法預(yù)測(cè)12第3章 盾構(gòu)法施工地表沉降的數(shù)值模擬與分析173.1 數(shù)值模擬軟件介紹173.1.1 flac3d簡(jiǎn)介173.1.2 ansys簡(jiǎn)介183.2工程概況253.2數(shù)值模擬分析273.2.1計(jì)算模型建立273.2.2材料參數(shù)及材料本構(gòu)關(guān)系283.2.3計(jì)算結(jié)果及分析29第4章 各種因素對(duì)地表沉降的影響分析334.1考慮不同深度的的沉降分析334.1.1計(jì)算模型建立334.1.2計(jì)算結(jié)果及分析33第5章 結(jié)論375.1.本次分析存在的不足與局限375.2結(jié)

11、論37參考文獻(xiàn)39致謝41iii第1章 緒論1.1 課題的目的、意義近年來(lái)，世界范圍內(nèi)的城市化水平一直呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，即城市數(shù)目和規(guī)模都不斷增加和擴(kuò)大。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的加快發(fā)展，中國(guó)的城市化進(jìn)程己大大加快，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中期，我國(guó)的大中城市將增加到1000多個(gè)，城市化水平將達(dá)到50以上。但是，交通擁擠已成為制約我國(guó)城市發(fā)展的突出問(wèn)題，如北京市干道平均車(chē)速已比lo年前降低50以上，而且時(shí)速正以每年2km的遞減速度繼續(xù)下降，據(jù)統(tǒng)計(jì)，市區(qū)183個(gè)路口中，嚴(yán)重阻塞的達(dá)60。如今，發(fā)達(dá)國(guó)家己把對(duì)城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用作為解決城市人口、資源、壞境三大危機(jī)的重要措施和醫(yī)治“城市綜合癥、實(shí)施城市可持續(xù)發(fā)展

12、的重要途徑。實(shí)踐表明：開(kāi)發(fā)利用地下空間是提高土地利用率與節(jié)省土地資源，緩解中心城市人口密度、人車(chē)立體分流、疏導(dǎo)交通、擴(kuò)充基礎(chǔ)設(shè)施容量、增加城市綠地，保持城市歷史文化景觀，減少環(huán)境污染，改善城市生態(tài)的最有效途徑【1】。發(fā)達(dá)國(guó)家解決城市“交通難”的主要措施是發(fā)展高效率的地下有軌交通，形成四通八達(dá)的地下交通網(wǎng)。根據(jù)預(yù)測(cè)和分析，我國(guó)特大城市的主要干道在21世紀(jì)初將達(dá)到巨大的高峰單向客流量，靠一般的公共電、汽車(chē)是不能解決的，只能選用高流量的有軌交通系統(tǒng)方案才行。高架道路對(duì)城市景觀的影響將是很難接受的，高架線的建設(shè)往往使沿線地價(jià)貶值，而地鐵沿線的地價(jià)很快增值。因此，地鐵的建設(shè)將是我國(guó)21世紀(jì)城市地下空間開(kāi)

13、發(fā)的重點(diǎn)。除己開(kāi)通北京、上海、天津、廣州、深圳的地鐵外，正在興建的有北京地鐵、上海地鐵、廣州地鐵、深圳地鐵、南京地鐵、杭州地鐵、重慶地鐵、長(zhǎng)沙地鐵等，此外己經(jīng)國(guó)家批準(zhǔn)和正在籌建地鐵的城市有20多座，預(yù)計(jì)21世紀(jì)初至中葉將是我國(guó)大規(guī)模建設(shè)地鐵的年代地鐵施工是在巖土體內(nèi)部進(jìn)行，無(wú)論其埋深大小，施工不可避免對(duì)巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)，使其失去原有的平衡狀態(tài)，而向新的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化，這一過(guò)程引起的巖土體變形可能影響地表建筑和已有的管線、樁基、橋墩等地下設(shè)施。隧道施工引起的地表移動(dòng)與變形，尤其是在地面建筑設(shè)施密集的城市中進(jìn)行隧道施工，一直是人們十分關(guān)心的問(wèn)題，過(guò)大的地表沉降與變形將會(huì)嚴(yán)重危害地面建筑物的安全和地下管

14、線等設(shè)施的正常使用，這就要對(duì)隧道施工所引起的地表沉降提出較為可靠的預(yù)測(cè)與控制方法。過(guò)大的地表沉陷給地表房屋建筑、路面、防洪大堤等碩士學(xué)位論文為了能合理地評(píng)價(jià)由隧道施工引起的地表沉降及變形對(duì)地面建筑物、地下設(shè)施的危害以及周?chē)h(huán)境的不良影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，也提出了許多預(yù)測(cè)方法。本文運(yùn)用現(xiàn)有的分析方法對(duì)武漢軌道交通3號(hào)線盾構(gòu)法施工模擬地表沉降分析，用于解決實(shí)際的施工問(wèn)題【2】。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隧道施工引起地表沉降的因素很多，地表移動(dòng)和變形的大小不僅與隧道的埋深、斷面尺寸、施工方法、支護(hù)形式等有關(guān)，而且還受到地層條件的影響。在城市中修建地鐵時(shí)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖引起地表沉降和變形

15、非常重要，國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過(guò)大量研究，提出了一系列預(yù)測(cè)方法，主要包括經(jīng)驗(yàn)公式法、解析法、數(shù)值模擬法以及模型試驗(yàn)法等。近些年來(lái)，對(duì)于淺埋暗挖地鐵隧道工程，國(guó)內(nèi)已建和在建的工程較多，但是對(duì)于較大跨度地鐵隧道則相對(duì)較少【3】?，F(xiàn)列舉幾例如下：1.2.1北京地鐵十號(hào)線北京地鐵十號(hào)線安定路站-：1e土城東站區(qū)間在靠近安定路站處，由于區(qū)間穿越安定路，安定路車(chē)流量比較大，并且路下管線密布，隧道穿越的土層為粉質(zhì)粘土層和粉土2層，因此該段區(qū)間采用礦山法施工，設(shè)計(jì)為雙連拱紺構(gòu)。隧道埋深大約9m，跨度為llm，北京地鐵5號(hào)線和平西橋站一北土城東路站區(qū)閫位于朝陽(yáng)區(qū)櫻花園西街下方，起訖里程k14+5290k15+4011，

16、全長(zhǎng)8721m，為雙線，雙線間距為148188m，洞頂埋深105m。洞身穿越粉土層、粉細(xì)砂層，地下水豐富。在渡線段內(nèi)隧道斷面有單洞單線、單洞雙線、單洞大跨及雙連拱隧道等多種型式。隧道采用淺埋暗挖法施工，地表設(shè)大口井降水，單洞最大開(kāi)挖尺寸14m94m(寬高)，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)與二次襯砌間設(shè)全包防水層。北京地鐵五號(hào)線東單站位于建國(guó)門(mén)內(nèi)大街與東單北大街、崇文門(mén)內(nèi)大街相交的十字路口東側(cè)，南北向布置。下穿交通繁忙的建國(guó)門(mén)內(nèi)大街，上跨一號(hào)線王(府井)一東(單)區(qū)間，車(chē)站總長(zhǎng)2044m，車(chē)站中心里程k7+78151。車(chē)站兩端是明挖框架結(jié)構(gòu)，地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層，兩端部明挖長(zhǎng)度分別約為6

17、92m和714m，開(kāi)挖寬度為2308m，覆土厚度23m。車(chē)站中部為單拱兩柱三跨暗挖隧道結(jié)構(gòu)，單層站臺(tái)層，暗挖段長(zhǎng)度為638m，開(kāi)挖寬度為239m，最小覆土厚度55m【4】。1.2.2天津地鐵三號(hào)線天津地區(qū)位于海河下游，其土質(zhì)為軟土。軟十的特性為：天然孔隙比大或等丁二10，且天然含水量人-丁液限的細(xì)粒土應(yīng)判定為軟上，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等，其壓縮系數(shù)大于05mpa：不排水抗剪強(qiáng)度小于30kpa。天津地鐵某車(chē)站1號(hào)風(fēng)機(jī)房位于城市8車(chē)道交通線的下面，該風(fēng)機(jī)房為矩形大跨結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖寬度1474m，開(kāi)挖高度64m，最小埋深為18m2om，分5跨10部【5】。1.2.3重慶輕軌新線一期重慶輕軌

18、新線一期工程是重慶市西部大開(kāi)發(fā)十大重點(diǎn)工程之一，較場(chǎng)口車(chē)站及折返線為該工程的起點(diǎn)，全長(zhǎng)395m(折返線長(zhǎng)224m，車(chē)站長(zhǎng)17lm)。該工程位于重慶市最繁華的商業(yè)鬧市區(qū)，為保證施工時(shí)地面交通不中斷，折返線0k0+135175段采用暗挖法進(jìn)行施工。該段設(shè)計(jì)開(kāi)挖高度1010m，開(kāi)挖跨度118加，開(kāi)挖斷面積108302，隧道拱頂埋深28m47m，屬超淺埋隧道。洞頂覆蓋層從上到下分別為松散雜填土約430m，砂粘土約030m，下伏基巖為弱一中風(fēng)化砂巖，巖體裂隙不發(fā)育，地下水主要為基巖裂隙水。1.2.4杭州地鐵2號(hào)線此工程暗挖隧道段影響范圍內(nèi)共有掛牌古樹(shù)6株，另外還有雖未掛牌但樹(shù)齡約100年的香樟2株，樹(shù)徑

19、分別為504cm和653cm，這些古樹(shù)主要分布在解放路口環(huán)島區(qū)域和清泰永廠內(nèi)。其中，環(huán)島區(qū)域內(nèi)共計(jì)有古樹(shù)7株，掛牌古樹(shù)5株，樹(shù)種分別為古樟和銀杏；而位于清泰水廠內(nèi)的一株700年的香樟樹(shù)，屬杭州市重點(diǎn)保護(hù)文物。過(guò)古樹(shù)區(qū)段隧道結(jié)構(gòu)為近距離雙洞雙車(chē)道城市道路隧道，考慮對(duì)古樹(shù)的保護(hù)及其它因素設(shè)計(jì)上采用淺埋暗挖法通過(guò)。隧道單洞開(kāi)挖跨度達(dá)126m，雙洞隧道開(kāi)挖寬度最大264，由于受路面坡度影響隧道覆土厚度從265m不等。根據(jù)平面位置關(guān)系，部分古樹(shù)剛好位于隧道開(kāi)挖線正上方如136號(hào)香樟位于隧道北開(kāi)挖線內(nèi)側(cè)04m處，137號(hào)銀杏位于隧道開(kāi)挖線北側(cè)03m處香樟1號(hào)位于隧道南開(kāi)挖線內(nèi)側(cè)44m處【6】。1.3 課題

20、的主要研究?jī)?nèi)容本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)!理論研究及數(shù)值模擬計(jì)算,對(duì)盾構(gòu)法隧道施工引起的地表沉降及地層位移進(jìn)行了深入的研究,主要內(nèi)容如下:(l)在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,總結(jié)了盾構(gòu)法隧道施工引起的地表沉降及地層位移的研究方法及現(xiàn)狀,闡明了研究意義;(2)研究了盾構(gòu)法隧道施工產(chǎn)生的幾何效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng),分析了地表沉降的機(jī)理;(3)結(jié)合隧道埋深!地層條件!掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置等因素對(duì)武漢軌道交通3號(hào)線王家灣站宗關(guān)站區(qū)間盾構(gòu)法隧道施工過(guò)程中土體變形特性進(jìn)行了分析,研究了地表沉降過(guò)程及分布規(guī)律;(4)結(jié)合實(shí)測(cè)地表沉降數(shù)據(jù)!掘進(jìn)工況!施工實(shí)例等分析了盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)置對(duì)地表沉降的影響;(5)采用ansys對(duì)王家灣站宗關(guān)站區(qū)間盾

21、構(gòu)法隧道施工開(kāi)挖全過(guò)程嚴(yán)格按照施工工序進(jìn)行了二維維數(shù)值模擬,考慮了隧道埋深!地下水位!盾構(gòu)機(jī)械!地層損失率!土艙壓力!注漿壓力等因素對(duì)地表沉降的影響?！?】 41第2章 盾構(gòu)法施工地表沉降分析方法2.1 影響地表沉降的因素2.1.1地基土體特性的影響淺埋暗挖隧道上覆地層己無(wú)自承載能力，荷載應(yīng)全部由隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)，但實(shí)際上，不但是土層，即使是干砂，地層仍能形成自然載拱。大量資料表明，隨著地基土層壓縮模量的增加，地面沉降逐漸減小。在土層壓縮模量較小時(shí)，地面沉降和水平位移受模量的變化影響很大【8】。2.1.2覆土厚度h和盾構(gòu)外徑d的影響隨著盾構(gòu)外徑的增大，則由盾構(gòu)施工引起的單位長(zhǎng)度的地層損失就隨

22、著增大，在相同地面沉降槽寬度的情況下，最大地面沉降也隨著增大；而隧道覆土厚度越大，則最大地面沉降值就會(huì)越小，但地面沉降槽寬度會(huì)越大。最大地面沉降隨覆土厚度與盾構(gòu)外徑的比值即hd的增大而減小。2.1.3土壓艙壓力的設(shè)定及盾構(gòu)推進(jìn)方向的改變土壓艙壓力過(guò)大，則地面隆起，壓力過(guò)小，則地面產(chǎn)生沉降。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)糾偏、叩頭、抬頭、曲線推進(jìn)等造成的超挖都會(huì)使得實(shí)際開(kāi)挖面大于設(shè)計(jì)開(kāi)挖面，從而引起多余的地層損失。2.1.4盾構(gòu)后退在盾構(gòu)暫停推進(jìn)時(shí)，千斤頂漏油回縮而可能引起盾構(gòu)后退，使開(kāi)挖面土體坍落或松動(dòng)，造成地層損失【9】。2.1.5盾尾注漿填充率由于盾構(gòu)殼具有一定的厚度，為了便于管片的拼裝及盾構(gòu)的糾偏

23、而在盾構(gòu)殼與襯砌之間保留有一定的空隙。千斤頂推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)前行時(shí)，在盾尾襯砌管片外圍形成了建筑空隙，使得周?chē)翆右畛浣ㄖ障抖l(fā)生涌向隧道的位移而引起地面沉降。工程中普遍采用同步注漿或二次注漿的方法來(lái)減小由盾尾空隙引起的地層損失，從而減小地面沉降。在注漿時(shí)，地層所能承受的灌漿壓力稱為地層劈裂壓力【10】。實(shí)際灌漿壓力大于地層劈裂壓力時(shí)，漿液可浸入地層，擾動(dòng)地層，而加大了地面沉降；小于地層劈裂壓力時(shí)，地層結(jié)構(gòu)基本完好，漿液可全部進(jìn)入原有的空隙。實(shí)踐表明，為了減小地表沉降，應(yīng)使注漿壓力小于或等于地層辟裂壓力。當(dāng)注漿量較小時(shí)，可以抵消圍巖土體的部分沉降，當(dāng)注漿量很大時(shí)反而可能會(huì)引起地面隆起。定義單位長(zhǎng)

24、度注漿體積與盾尾建筑空隙體積(盾構(gòu)殼的體積與盾構(gòu)襯砌間空隙體積之和)之比為盾尾注漿填充率?？紤]到漿液固結(jié)時(shí)，會(huì)有一定量的水份析出并滲入到周?chē)翆?，則實(shí)際充填漿液的體積會(huì)小于實(shí)際注漿量，故在注漿時(shí)，其實(shí)際注漿量應(yīng)略大于盾尾建筑空隙體積。2.1.6土體擠入盾尾空隙因注漿量不足、注漿不及時(shí)、注漿壓力不適當(dāng)，使盾尾后部隧道周邊的土體失去原來(lái)的平衡，向盾尾空隙移動(dòng)，引起地層損失，致使地層沉降。2.1.7盾構(gòu)推進(jìn)速度的影響沉降具有時(shí)間效應(yīng)，盾構(gòu)推進(jìn)速度快，則意味各施工工序時(shí)間縮短，減少了隧道開(kāi)挖面的裸露時(shí)間，利于控制地層沉降。當(dāng)然盾構(gòu)推進(jìn)速度應(yīng)該由地層條件和盾構(gòu)出土設(shè)備的出土能力共同確定。2.1.8地下水

25、的影響地鐵隧道施工一般處在地下水位以下，開(kāi)挖排水后地下水不斷滲出，如注漿封閉不及時(shí)或不理想，地下水則不斷滲出，土層空隙固結(jié)收縮，引起地面超前超大范圍沉降【11】。2.1.9在土壓力的影響隧道襯砌產(chǎn)生的變形也會(huì)引起少量的地層損失；隧道滲水、涌水等攜帶泥砂、坍方等引起地層損失。除了上述因素外，還有其它一些因素，總之，地鐵隧道施工時(shí)，地表下沉是很多因素的綜合作用。合理的設(shè)計(jì)和巧妙的施工是控制地表沉降的關(guān)鍵手段。一般需要嚴(yán)格執(zhí)行“嚴(yán)注漿、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”等方針。2.2施工的主客觀因素進(jìn)行分析根據(jù)上述分析，致使地層移動(dòng)的9個(gè)因素中，有些是主觀原因造成的，有些是客觀造成的。因此盾構(gòu)推進(jìn)引起的地層移

26、動(dòng)因素有盾構(gòu)直徑、埋深、土質(zhì)、盾構(gòu)施工情況等，可劃分為客觀因素和主觀因素。其中隧道線形、盾構(gòu)外徑、埋深等設(shè)計(jì)條件和土的強(qiáng)度、變性特性、地下水位分布等屬于客觀因素；而盾構(gòu)的形式、輔助施工方法、襯砌壁后注漿、施工管理等，則屬于主觀因素。2.2.1客觀因素客觀因素是非施工人員原因而引起的地層移動(dòng)，它與規(guī)劃、設(shè)計(jì)和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況等因素有直接關(guān)系，這類(lèi)原因引起的地層移動(dòng)通常發(fā)生在整個(gè)盾構(gòu)施工過(guò)程中，并延續(xù)到施工結(jié)束后的較長(zhǎng)一段時(shí)間。其具體表現(xiàn)為：(1)設(shè)計(jì)階段的盾構(gòu)選擇，特別是盾構(gòu)外徑、盾尾空隙等尺寸的選定。這一切將直接影響“建筑空隙”的大小。(2)由于注漿材料本身的體積收縮，使填充孔隙的材料在一段時(shí)間

27、后出現(xiàn)萎縮。(3)盾殼移動(dòng)對(duì)地層的摩擦和剪切，造成對(duì)臨近土體的擾動(dòng)。(4)在土壓力作用下，隧道襯砌的變形會(huì)引起少量的地層損失。(5)施工結(jié)束后，隧道本身的沉降，也會(huì)引起地面沉降。2.2.2主觀因素主觀因素是引起地層移動(dòng)比較主要的因素，它同施工人員的工作態(tài)度、技術(shù)水平等主觀因素有密切聯(lián)系，這類(lèi)原因引起的地層移動(dòng)通常發(fā)生在盾構(gòu)施工階段。其具體表現(xiàn)為：(1)盾構(gòu)嚴(yán)重超挖(欠挖)引起的地層移動(dòng)。(2)在用一些自動(dòng)化程度較高的盾構(gòu)機(jī)具進(jìn)行推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)參數(shù)匹配不合理，如推進(jìn)速度、正面土壓力、注漿壓力和盾構(gòu)總推力等參數(shù)的設(shè)定不合理。(3)注漿量不足或注漿不及時(shí)，是引起地層移動(dòng)較主要的原因之一，直接影響“建筑

28、空隙”的充填。(4)在推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)“姿態(tài)”的糾偏對(duì)地層移動(dòng)的影響是不容忽視的。(5)盾構(gòu)后退。較長(zhǎng)時(shí)間的盾構(gòu)停止推進(jìn)，千斤頂會(huì)因漏油而縮回，從而引起盾構(gòu)后退，這樣勢(shì)必造成開(kāi)挖面土體穩(wěn)定失去平衡，土的內(nèi)聚力減小【12】?？傊軜?gòu)隧道施工過(guò)程中引起地層移動(dòng)的影響因素很多，其表現(xiàn)形式是綜合性的，在研究盾構(gòu)隧道施工對(duì)周?chē)h(huán)境影響時(shí)，只有比較全面地考慮各主要影響因素的影響才能得到合理的分析結(jié)果。2.3 盾構(gòu)法施工地表沉降分析方法2.3.1經(jīng)驗(yàn)公式法主要通過(guò)對(duì)地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理后用數(shù)學(xué)形式對(duì)沉陷規(guī)律加以表現(xiàn),進(jìn)而對(duì)地表最大沉陷量和沉陷分布進(jìn)行理論上和經(jīng)驗(yàn)上的推斷,以peek公式法為代表:pec

29、kr.b.(1969)通過(guò)對(duì)大量地表沉陷數(shù)據(jù)及工程資料分析后,首先提出地表沉降槽呈似正態(tài)分布的概念并認(rèn)為地層位移由地層損失引起,且施工引起的地面沉降是在不排水的情況下發(fā)生的,所以沉降槽體積等于地層損失的體積,由此提出橫向地表沉降及最大地表沉降的估算公式 （2.1）式中最為距開(kāi)挖隧道中心線橫向距離x處的地表沉降值(m)；甌戤為隧道中線處地表的最大沉降值(m)；i為沉降槽寬度系數(shù)(m)。peck公式在實(shí)踐中用得最廣，很多學(xué)者在此基礎(chǔ)上對(duì)不同地層條件的i值進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，發(fā)現(xiàn)沉降槽寬度系數(shù)i取決于接近地表的地層的強(qiáng)度、隧道埋深和隧道徑。clough和schmidt(1951)161提出飽和含水塑

30、性粘土中，地表沉降槽寬度i=r(z2r)o。8式中：z為地面至隧道中心深度，r為隧道半徑。oreilly和new(1982)在現(xiàn)場(chǎng)觀察的基礎(chǔ)上，認(rèn)為對(duì)粘性土：i=043z+11；而對(duì)粒狀土：i=028z11。mair(1993)基于全球范圍內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和離心試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出更為簡(jiǎn)單的公式：i=kz，對(duì)于粘性土k均值為05；對(duì)于砂性土或礫石k均值取025【13】。attewell等(1982)提出了如下的估算公式： （2.2）其中，y為沉降槽的橫斷面面積，取值根據(jù)土類(lèi)而變；k、行為與土體性質(zhì)和施工因素相關(guān)的系數(shù)。elby(1988)和new與oreilly(1991)對(duì)由粘土層和砂土層組成的成層土

31、中隧道的沉降槽寬度系數(shù)提出了簡(jiǎn)單合并的計(jì)算方法來(lái)考慮不同土層的厚度影響。如對(duì)于兩土層的【14】。情況有： （2.3）其中，置、互分別為第i層土的沉降槽寬度系數(shù)的參數(shù)和厚度。(1)縱向地表沉降隨著隧道的縱向開(kāi)挖推進(jìn)，在其縱向也會(huì)產(chǎn)生一定形式的沉降槽。當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)鄰近或直接位于隧道中心線上，可能遭受更嚴(yán)重的破壞?？v向地表沉降的研究主要針對(duì)盾構(gòu)法而展開(kāi)。劉建航(1975)在總結(jié)上海延安東路隧道縱向沉降分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了“負(fù)地層損失”的概念，并由大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出了上海軟土地層縱向沉降與施工引起的地層損失之間的統(tǒng)計(jì)公式。attweell和wodomna(1982)通過(guò)對(duì)粘土中大量隧道的檢驗(yàn)，證明

32、了累積概率曲線對(duì)于擬合粘土中隧道的縱向沉降槽是非常有效的。new和orelily(1991)假定所有的地層變形滿足常體積形式，按照橫向沉降具有正態(tài)分布曲線形式的假定，提出縱向沉降應(yīng)該具有累積概率曲線的形式【15】。nopoto等(1995)、moh等(1996)發(fā)現(xiàn)epb盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)隧道的沉降主要與盾尾空隙密切相關(guān)。fang等(1993)提出土壓平衡盾構(gòu)縱向沉降隨時(shí)間的變化曲線成雙曲線型。(2)地表下土體的沉降由于新建隧道往往鄰近既有隧道、管線、深基礎(chǔ)等地下構(gòu)筑物，這使得地表下土體的沉降研究同地表沉降研究同樣重要。然而，這方面的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)卻非常的少。mari等(1993)對(duì)peck公式進(jìn)行

33、了進(jìn)一步的拓展，他們通過(guò)對(duì)倫敦硬粘土及軟粘土中隧道施工引起的地表下土體沉降的大量實(shí)測(cè)資料和離心模型試驗(yàn)資料的分析，發(fā)現(xiàn)地表下土體沉降可以大致通過(guò)和地面沉降相同的高斯分布形式來(lái)描述。在地表下深度為z處，如果地表距隧道軸線的距離為磊，那么沉降槽的寬度系數(shù)f：可以表示為： （2.4）k值隨深度的增加而增大，這表明地表下某一深度的沉降輪廓明顯比假定k為常數(shù)時(shí)所預(yù)測(cè)的要寬得多。mair等基于離心機(jī)試驗(yàn)同時(shí)提出了粘土地層七的計(jì)算公式： （2.5）將k、f。帶入式即可求得對(duì)應(yīng)的沉降值。moh等(1996)和dyer等(1996)分別在不同地質(zhì)條件的隧道工程中，都觀察到地表和地表下土體的沉降具有類(lèi)似的輪廓，且

34、k值隨深度而增加。第3章 盾構(gòu)法施工地表沉降的數(shù)值模擬與分析(3)土體水平移動(dòng)結(jié)構(gòu)和設(shè)施的破壞也可能由水平移動(dòng)而引起，但實(shí)際工程中，對(duì)土和結(jié)構(gòu)的水平移動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)的實(shí)例相對(duì)較少。attewell(1975)和oreily與new(1982)針對(duì)粘土提出，土體位移矢量指向隧道軸線。這可簡(jiǎn)化為： （2.6）式中，s。：為地面下深度z處距隧道軸水平距離x處的沉降值；&為此處的水平位移值。這個(gè)假定可以得出地表水平位移分布為： （2.7）理論上的最大水平移動(dòng)出現(xiàn)在沉降槽的反彎點(diǎn)，等于061經(jīng)驗(yàn)公式法原理簡(jiǎn)單，易操作，只要確定了公式的參數(shù)就可以很方便地得到地面沉降槽曲線【16】。這種方法可以在一定程度上反映

35、土的性質(zhì)、隧道的特點(diǎn)對(duì)沉降的影響，對(duì)于一些土質(zhì)較好、施工技術(shù)、施工設(shè)備較完善，且已有類(lèi)似工程資料的情況，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較接近，但是也不可避免的具有它的局限性：(1)經(jīng)驗(yàn)公式的提出缺乏理論基礎(chǔ)；(2)不能考慮特殊的隧道形狀和施工工藝；(3)只能考慮單一地質(zhì)條件：(4)經(jīng)驗(yàn)公式法大都需要通過(guò)估算土體削減率來(lái)確定地表最大沉降，土體削減是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在施工前很難準(zhǔn)確確定，只有通過(guò)反算和合理假設(shè)才能得到，這使其應(yīng)用受到限制【17】。2.3.2室內(nèi)模擬試驗(yàn)法室內(nèi)模擬試驗(yàn)是指在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)針對(duì)某一工程具體條件，按照相似理論建立模型，進(jìn)行模擬試驗(yàn)，然后得出地層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究方法。1957年，litwi

36、ngszyn用大量大小相同的球體模擬地層，并對(duì)這種介質(zhì)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)不作任何假定進(jìn)行模擬試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：沉降槽的橫向分布曲線形式與概率形式相同。1969年，hewer進(jìn)行了二次加載的板狀模型試驗(yàn)。結(jié)果表明：沉降曲線為s形。1974年，英國(guó)劍橋大學(xué)的atkinson以砂和高嶺土為介質(zhì)，以橡皮膜敷于隧道內(nèi)表明上進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：土的破壞面近似朗金主動(dòng)破壞面，十分接近peck曲線。1975年，atldnson又以砂土為介質(zhì)，使用了放射攝影法，并將鉛丸埋置于砂中作為觀察標(biāo)點(diǎn)。結(jié)果表明：隧道的穩(wěn)定程度隨著埋深的增加而增大。1979年，梅爾做了松軟土中隧道建造離心模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：土

37、顆粒流動(dòng)是指向隧道水平軸線附近。1980年，takao shimada等人以標(biāo)準(zhǔn)砂為介質(zhì)，分別模擬松填土和密填土兩種不同情況，研究土體的覆蓋情況與橫向下沉之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：地面沉降斷面形狀近似于正態(tài)概率密度曲線。并得出結(jié)論：隧道開(kāi)挖的地表下沉量是由隧道的自身變形、地質(zhì)條件、距隧道中心距離及地層覆蓋厚度等四個(gè)因素控制。覆蓋淺時(shí)，破壞面梯度變化大，曲線陡峭；覆蓋厚時(shí)，破裂面梯度變化小，曲線平緩【18】。隨著覆蓋層厚度的增大，地面沉降量減小。1981年，claudio casarin矛irobert mair以超固結(jié)粘土為介質(zhì)，對(duì)無(wú)支護(hù)隧道的變形與破壞進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隧道穩(wěn)定性隨著無(wú)

38、支護(hù)長(zhǎng)度的縮短而提高，隨著埋深與直徑的比值增大而提高。如果認(rèn)為介質(zhì)無(wú)土體變化，則地面沉降槽體積等于土坡?lián)p失體積。離心模型試驗(yàn)對(duì)于了解盾構(gòu)隧道施工引起地層位移的機(jī)理，揭示各個(gè)施工因素對(duì)地面沉降的影響具有重要意義。但其試驗(yàn)方法復(fù)雜、費(fèi)用昂貴，模型難以精確模擬實(shí)際工程地質(zhì)條件和施工參數(shù)，且得到的信息有限【19】。2.3.3理論法預(yù)測(cè)理論法主要包括解析方法和數(shù)值方法。(1) 解析方法經(jīng)驗(yàn)法只是大致地給出地表沉降的計(jì)算方法，它無(wú)法考慮特殊的隧道幾何尺寸和地層的詳細(xì)條件，更無(wú)法考慮施工方法、加固和支護(hù)措施等。隨著對(duì)地層變形研究的深入，許多學(xué)者將相關(guān)學(xué)科的研究成果引入到隧道軟土地層變形研究中，考慮地基土層的

39、變形特點(diǎn)，將地基土作為彈性、彈塑性和粘彈性體考慮。clough與schimdt(1981)描述了利用線性彈性一理想塑性介質(zhì)中軸對(duì)稱情況下圓形孔卸荷的解析解預(yù)測(cè)隧道掘進(jìn)引起的地層位移。陶履彬、侯學(xué)淵(1986)用軸對(duì)稱的平面應(yīng)變彈性理論分析了圓形隧道的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。sagaseta(1987)基于不可壓縮液體流動(dòng)的解析解(應(yīng)變路徑法)研究了平面應(yīng)變條件下隧道開(kāi)挖引起的地層位移，該方法需要給出地層損失的假定值。日本的久武勝保(1992)研究了圓形隧道的非線性彈塑性的理論解，將土體作為彈塑性和粘彈性材料，反映了土體的非彈性性質(zhì)，并考慮了地層位移與時(shí)間的相關(guān)性。verurijt與brooker(19

40、96)在sagaseta研究的基礎(chǔ)上，提出了半空間均質(zhì)彈性體中隧道引起的地層變形的解析解，它適用于任意孔隙比的情況，且包括了由于地層損失和隧道的橢圓變形兩種因素。loganathan、poulos(1995、1999)提出了軟土地層不排水條件下預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖引起地層位移的解析方法。他們?cè)趌ee等提出的“間隙參數(shù)”的基礎(chǔ)上，對(duì)不排水條件下地層損失進(jìn)行了重新定義，提出了“等效地層損失”參數(shù)。由橢圓形間隙引起的非線性地層位移，則通過(guò)指數(shù)函數(shù)形式表達(dá)的不排水條件下的等效地層損失并輔以適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來(lái)模擬，并將修正后的等效地層損失應(yīng)用于verruijt與boroker提出的閉合形式的彈性解，從而得到了隧道

41、開(kāi)挖引起的地表沉降、地表下土體的沉降和側(cè)向變形進(jìn)行計(jì)算的閉合解析方法及相關(guān)計(jì)算公式。由于受計(jì)算條件的限制，解析方法只能對(duì)較簡(jiǎn)單的邊界條件和初始條件求出解答，所以解析法幾乎都將地層假定為均勻的、平面應(yīng)變問(wèn)題，且大部分假定為軸對(duì)稱的平面應(yīng)變問(wèn)題，這使其應(yīng)用受到極大限制，更無(wú)法考慮施工條件對(duì)地層位移的影響。(2) 數(shù)值方法彈性介質(zhì)的有限元分析法在有限元分析中，假定隧道周?chē)耐馏w為均質(zhì)、各向同性的彈性介質(zhì)，土的力學(xué)屬性取決于土的彈性模量e和泊松比y。對(duì)于分層地層可按加權(quán)平均法得出等代彈性模量e，和等代泊松比y，從而將介質(zhì)轉(zhuǎn)化為勻質(zhì)介質(zhì)。 （2.8）式中：各層土的彈性模量； 各層土的泊松比； 各層土的厚

42、度； 土層的總厚度。由于泊松比變化很小，一般取0304。日本學(xué)者竹山喬總結(jié)彈性介質(zhì)有限元分析的成果，并根據(jù)實(shí)測(cè)資料加以修正，提出地表沉降的估算公式如下： （2.9）影響范圍： （2.10）沉降面積： （2.11）式中：h隧道覆土厚度；d隧道直徑。采用彈性介質(zhì)的有限元分析時(shí)，必須考慮盾尾空隙量和管片的剛度。彈塑性介質(zhì)有限元分析法由于盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，周?chē)馏w受到擾動(dòng)，若采用彈性介質(zhì)的有限元法分析計(jì)算，往往估計(jì)值偏小，因此將土體作為彈塑性介質(zhì)來(lái)進(jìn)行有限元分析計(jì)算更為接近實(shí)際情況【20】。在彈塑性分析中，必須根據(jù)不同的土質(zhì)適當(dāng)選用相應(yīng)的本構(gòu)模型。彈塑性介質(zhì)有限元法估算盾構(gòu)施工引起地表沉降，能更好地反映

43、土體特征對(duì)地表沉降的影響，考慮了土體本身的壓縮性、剪脹性等因素，并能反映出沉降前后土體的應(yīng)力變化和土體位移情況等。但是，采用該方法時(shí)，確定合適的本構(gòu)模型和測(cè)定土體各種參數(shù)較困難。三維數(shù)值分析能夠反映盾構(gòu)隧道施工引起地層位移的三維性狀，能夠綜合反映隧道的施工過(guò)程。但是盾構(gòu)隧道施工三維有限元模擬方法中仍存在下列問(wèn)題：i現(xiàn)有方法在模擬盾構(gòu)施工時(shí)考慮的因素不夠全面，大多只考慮了開(kāi)挖面卸荷、盾尾脫空、千斤頂推力、盾尾注漿的影響，而對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)超挖、注漿材料的凝固、挖除隧道內(nèi)部土體引起的豎向卸荷和結(jié)構(gòu)與土之間的接觸問(wèn)題涉及較少。ii現(xiàn)有方法對(duì)開(kāi)挖面卸荷、千斤頂推力、盾尾空隙填充、注漿材料凝固等具體因素的模擬

44、方法還存在不合理的地方。iii現(xiàn)有方法對(duì)盾構(gòu)連續(xù)推進(jìn)過(guò)程模擬方法的描述還不夠清楚國(guó)內(nèi)采用數(shù)值方法進(jìn)行隧道開(kāi)挖對(duì)地層變位的研究文獻(xiàn)也非常之多，分別對(duì)具體的工程問(wèn)題進(jìn)行了影響預(yù)測(cè)?？傊?，數(shù)值方法能夠較好地考慮復(fù)雜的邊界條件，模擬復(fù)雜的巖土介質(zhì)的特性，動(dòng)態(tài)模擬工程的實(shí)際建造過(guò)程，求解較復(fù)雜的隧道結(jié)構(gòu)問(wèn)題。4其他預(yù)測(cè)方法前文介紹了隧道工程對(duì)巖土環(huán)境影響研究的三種主要方法，每種分析方法各有利弊，三種方法并不是完全割裂的，分析中往往是采用其中某兩種甚至三種法的綜合，從而可以得到合適的結(jié)果。近年來(lái)隨著數(shù)值計(jì)算方法、模糊理論等發(fā)展，在傳統(tǒng)方法之外又發(fā)展了如專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等研究方法。由于隧道問(wèn)題的復(fù)雜性

45、，利用傳統(tǒng)的方法和技術(shù)很難揭示其內(nèi)在規(guī)律，近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)n論，在處理信息復(fù)雜、背景知識(shí)不清推理規(guī)則不明確的問(wèn)題時(shí)，顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性【21】。jinsheng shi等(1998)乖1j用bp網(wǎng)絡(luò)對(duì)巴西利亞65km盾構(gòu)隧道的地表沉進(jìn)行了預(yù)測(cè)，分析了該隧道施工的特點(diǎn)后，總結(jié)出11種主要的地層移動(dòng)影響因素。孫鈞等(2001)結(jié)合上海市地鐵2號(hào)線的工程實(shí)踐，論證了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)可行性和適用性。王穗輝等(2001)采用改進(jìn)的bp網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)上海地鐵2號(hào)線盾構(gòu)推進(jìn)中道上方的地表變形趨勢(shì)作了預(yù)報(bào)，通過(guò)與其它預(yù)測(cè)方法的比較，表明將人工神網(wǎng)絡(luò)用于地表預(yù)測(cè)效果優(yōu)于其它方法。羅筱波等(2

46、003)采用多元線性回歸分析方法建立了一個(gè)地面沉降和影響因素之問(wèn)的回歸模型，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合【22】。，相對(duì)傳統(tǒng)方法而言，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以同時(shí)考慮多種因素的影響，隨著研究的深入，試驗(yàn)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)逐漸增多，該法的預(yù)測(cè)精度會(huì)不斷提高。但是采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的前提是輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完備性和可靠性，而土的特性本身存在著不確定性，因此人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種仍需發(fā)展和完善的分析方法。多元回歸分析采用平均曲線進(jìn)行擬合、預(yù)測(cè)，不足以準(zhǔn)確地反映預(yù)測(cè)值的離散性和隨機(jī)波動(dòng)性，且需要建立在一定的實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)上，只能預(yù)測(cè)較短時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，因此帶有很大的局限性。第3章 盾構(gòu)法施工地表沉降的數(shù)值模擬與分析3.1

47、數(shù)值模擬軟件介紹3.1.1 flac3d簡(jiǎn)介flac3d(three dimensionalfast lagranrian analysisofcontinua)是美國(guó)itascaconsulting groupinc開(kāi)發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序。三維快速拉格朗日法是一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法，它可模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為。拉格朗日元法的名詞淵源于流體力學(xué)中研究流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方法有兩種，一種是定點(diǎn)觀察的方法，為歐拉法，另一種是隨流觀察的方法，稱為拉格朗日法。后者是研究每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間而變化的情況，即著眼于某一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)，研究它在任意段時(shí)間內(nèi)走出的軌跡、所具有的速度、壓

48、力等。將拉格朗日法移植到固體力學(xué)中，將所研究的區(qū)域劃分成若干四面體單元網(wǎng)格，每個(gè)單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構(gòu)關(guān)系，單元網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)就相當(dāng)于流體質(zhì)點(diǎn)，然后按時(shí)步用拉格朗日法來(lái)研究網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，這種方法就稱為格朗日元法。三維快速拉格朗日分析法采用了顯式有限差分格式來(lái)求解場(chǎng)的控制微分方程，并應(yīng)用了混合單元離散模型，可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過(guò)程等領(lǐng)域有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，這種方法在巖土力學(xué)中有重要的應(yīng)用，它與離散單元法一樣，系按時(shí)步采用動(dòng)力松弛的方法來(lái)求解，不需要形成剛度矩陣，不用求解大型聯(lián)立方程組，占用內(nèi)存較少，

49、便于用微機(jī)求解較大的工程問(wèn)題。flac3d能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。它包含10種彈塑性材料本構(gòu)模型，有靜力、動(dòng)力、蠕變、滲流、溫度五種計(jì)算模式，各種模式間可以互相禍合，可以模擬多種結(jié)構(gòu)形式，如巖體、土體或其他材料實(shí)體，梁、錨桿、樁、殼以及人工結(jié)構(gòu)如支護(hù)、襯砌、錨索、巖栓、土工織物、摩擦樁、板樁、界面單元等，可以模擬復(fù)雜的巖土工程或力學(xué)問(wèn)題。目前該軟件在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)、巖土力學(xué)以及構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和成礦學(xué)等研究領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)90年代初才引進(jìn)該軟件，主要應(yīng)用于工程地質(zhì)和巖土力學(xué)分析，如礦體滑

50、坡、煤礦開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)、水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析、采礦巷道穩(wěn)定性研究等，相對(duì)于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)flac3d在地質(zhì)和巖土工程中的應(yīng)用研究尚處于初級(jí)階段，有相當(dāng)大的開(kāi)發(fā)潛能【23】。3.1.2 ansys簡(jiǎn)介ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ansys開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)cad軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如pro/engineer, nastran, alogor, ideas, autocad等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)cae工具之一。cae的技術(shù)種類(lèi)有很多，其中包括有限元法(fem,即finite element

51、 method),邊界元法(bem,即boundary element method)，有限差分法(fdm,即finite difference element method)等。每一種方法各有其應(yīng)用的領(lǐng)域，而其中有限元法應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣，現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等。ansys有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處

52、理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類(lèi)型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如p

53、c，sgi，hp，sun，dec，ibm，cray等。ansys軟件優(yōu)勢(shì)對(duì)于特定的物理學(xué)領(lǐng)域，ansys 的軟件可讓用戶能更深入地鉆研，從而解決更多種類(lèi)的問(wèn)題，處理更為復(fù)雜的情況。除了 ansys 外，沒(méi)有哪家工程仿真軟件供應(yīng)商能提供如此深入的技術(shù)能力。ansys 的技術(shù)涵蓋多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。不論是需要結(jié)構(gòu)分析、流體、熱力、電磁學(xué)、顯式分析、系統(tǒng)仿真還是數(shù)據(jù)管理，ansys 的產(chǎn)品均能為各個(gè)行業(yè)的企業(yè)取得成功助一臂之力。ansys 在所提供的工程仿真工具的廣度和數(shù)量上堪稱絕無(wú)僅有。以真正耦合的方式使用 ansys 技術(shù)，開(kāi)發(fā)工程師即可獲得符合現(xiàn)實(shí)條件的解決方案。綜合多物理場(chǎng)場(chǎng)產(chǎn)品組合能使用戶利用集

54、成環(huán)境中的多個(gè)耦合物理場(chǎng)進(jìn)行仿真與分析。ansys 的成套產(chǎn)品極具靈活性。不論是為企業(yè)中新手還是能手使用；是單套部署還是企業(yè)級(jí)部署；是首次通過(guò)還是復(fù)雜分析；是桌面計(jì)算、并行計(jì)算還是多核計(jì)算，這一工程設(shè)計(jì)的高擴(kuò)展性均能滿足當(dāng)前與未來(lái)的需求。ansys 是唯一一家能提供客戶所需能力水平的仿真軟件供應(yīng)商，而且能隨此類(lèi)需求的發(fā)展無(wú)限擴(kuò)展。工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)可使用多種 cad 產(chǎn)品、內(nèi)部開(kāi)發(fā)代碼、物料庫(kù)、第三方求解器、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理流程等其他工具。與那些刻板、僵化的系統(tǒng)不同，ansys 的軟件具有開(kāi)放性和適應(yīng)性特性，能實(shí)現(xiàn)高效的工作流程。此外，其產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理可使知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)在工作組間與企業(yè)內(nèi)的實(shí)現(xiàn)共享。ansy

55、s程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球 、棱柱，稱為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級(jí)圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊 、球、錐和柱。無(wú)論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來(lái)組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個(gè)實(shí)體模型。ans ys程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對(duì)線、面、體、基元的布爾操作 能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ansys程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括 圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過(guò)拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動(dòng)相交運(yùn)算、自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動(dòng)、拷貝和 刪除。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。ansys程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對(duì)cad模型