FLAC3D3.0在某隧道工程开挖支护中的应用

FLAC3D3.0在某隧道工程开挖支护中的应用发布:2008-10-0514:46|作者:xigangren|来源:东南西北人社区FLAC3D3.0在某隧道工程开挖支护中的应用phonixsFLAC3D计算优势  FLAC3D(FastLagrangianAnalysisofContinuain3Dimensions)是由美国ItascaConsultingGroupInc开发的三维显式有限差分法程序，该程序采用“混合离散化”(mixeddiscretization)技术，更为精确和有效地模拟计算材料的塑性破坏和塑性流动。它全部使用动力运动方程，较好地模拟系统的力学不平衡到平衡的全过程。目前该软件在国内、外已被广泛应用于工程地质、岩土力学以及构造地质学和成矿学等研究领域。FLAC3D包含了10种弹塑性材料本构模型，其中包括1个空洞模型，3个弹性模型及6个塑性模型。同时它还包含静力（StaticAnalysis）、动力（DynamicAnalysis）、蠕变（CreepMaterialModel）、渗流（Fluid-mechanicalInteraction）及热力学（ThermalOption）5种计算模式，各种模式间可以相互“耦合”，以模拟各种复杂的工程力学行为。FLAC3D可以模拟多种结构形式，如岩体、土体或其他材料实体，梁（Beam）、锚元（Cable）、桩（Pile）、壳（Shell）以及人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等。另外，FLAC3D设有界面单元（Interfaces），可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界等[2]。FLAC3D软件已成为工程技术人员较为理想的三维计算分析工具。FLAC3D计算缺点：由于没有一个类似autocad程序简洁可视化的建模操作程序，相比2d-σ、3d-σ、Ansys等数值模拟软件，用FLAC3D直接建立模型比较困难，一般情况下要么开发一个flac建模的前处理程序，要么从Ansys中建模，然后将节点和单元信息导出，根据flac建模的命令流格式将这些节点和单元信息改写。这里所要介绍的是利用flac建模的几种基本模块，来建立一个公路隧道的模型。某隧道建立的三维FLAC有限元计算模型如下。有限元计算结果是否符合实际以及可信度的大小取决于地质原型的正确抽象，为保证计算的可靠性，本模型的边界范围取为隧道有效高（宽）度的4倍，采用固定边界条件，底部采用固定约束，上部施加等效荷载，两端边界处沿X方向固定约束。表1 工程场地内地质体物理力学计算参数材料名  强风化钠长石英片岩  中风化钠长石英片岩弹性模量（Gpa）  0.6  0.8泊松比(μ)  0.27  0.26密度（Kg/m3）  2300  2300剪切强度（MPa）  0.4  1.0内摩擦角（°）  30  35内聚力强度（MPa）  1.8  2.6抗拉强度（MPa）  0.8  1.0另外由于中文在flac中被认为是字符，不同的中文组合，被认为是不同的字符组合，因此可以在命令流中加入中文，隧道建模命令流入下：setlogonsetlogfileyang.loggenzonradcylp0000p19.000p20500p3008&size42064dim6565rat1111group围岩genzoncshellp0000p16.000p20500p3005.0&size42064dim5.64.65.64.6rat1111group初期支护genzoncshellp0000p15.600p20500p3004.6&size42064dim5.04.05.04.0rat1111group二次衬砌fillgroup原岩genzonradcylp0000p100-8.0p20500p39.000size42064dim3636rat1111group围岩2genzoncshellp0000p100-3.0p20500p36.000size42064dim2.65.62.65.6rat1111group仰拱初期支护genzoncshellp0000p100-2.6p20500p35.600size42064dim2525rat1111group仰拱二次衬砌fillgroup仰拱原岩genzonereflectnormal-100genzoneradtunp0000p14500p20500p30020size320312dim9898rat1111.1group围岩3genzonreflectdip0ori000rangex09y050z820genzonreflectdip0ori000rangex945y050z020genzonreflectdip90dd270ori000rangex09y050z820genzonreflectdip90dd270ori000rangex09y050z-8-20genzonreflectdip90dd270ori000rangex945y050z-2020genzonbrickp0-450-20p1-450-40p2-4550-20p3450-20size5206 rat1.111group围岩4savetun_model.sav假设围岩岩体符合mohr-coulomb本构模型，给围岩赋参数命令流如下，;mohr-coulombmodelmodelmohrdefderives_mod1=E_mod1/(2.0*(1.0+p_ratio1))b_mod1=E_mod1/(3.0*(1.0-2.0*p_ratio1))s_mod2=E_mod2/(2.0*(1.0+p_ratio2))b_mod2=E_mod2/(3.0*(1.0-2.0*p_ratio2))endsetE_mod1=0.6e9p_ratio1=0.27E_mod2=0.8e9p_ratio2=0.26derivepropbulkb_mod1shears_mod1cohe1.8e6tens0.8e6fric30rangez4.520propbulkb_mod2shears_mod2cohe2.8e6tens1.0e6fric35rangez-404.5inidens=2300setgrav00-10;boundaryandinitialconditionsapplyszz-1.4e6rangez19.920.1fixzrangez-40.1-39.1fixxrangex-45.1-44.9fixxrangex44.945.1fixyrangey49.950.1histunbalhistgpxdis6.0,0,0histgpzdis0,0,5histgpxdis6.0,50,0histgpzdis0,50,5plothist3solvesave tun_nature.sav对后面计算而言，模型建立时岩体在开挖前认为位移已经终了，因此需要对位移进行“清零”，而应力可以保留。假设隧道先开挖上断面，中间不设支护，直到进尺50m，那么此时位移和应力的分布情况可用如下命令流inixdis=0ydis=0zdis=0plotremodelnullrangegroup原岩modelnullrangegroup二次衬砌modelnullrangegroup初期支护setlargehistunbalplothist3solvesavetun_ext1.sav如果在开挖后适时对隧道进行锚喷混凝土初期支护，该命令流如下：restoretun_nature.savinixdis=0ydis=0zdis=0plotremodelnullrangegroup初期支护modelnullrangegroup二次衬砌modelnullrangegroup原岩step100histunbalplothist3moelrangegroup初期支护propbulk1.33e9shear0.8e9cohe2.2e6tens1.2e6fric32rangez4.57.0x-7.07.0propbulk10.9e9shear8.9e9dens2500rangegroup初期支护setlargesolvesavetun_ext2.sav在将位移清零后，对上断面进行开挖，然后在"step 100"后及时采取了初期支护，拱顶（0，0，5）的位移曲线发生了明显的变化，在总步长为18347时，沉降值趋于收敛，拱顶最大沉降为2.44cm，底部隆起值也明显比不支护时要小，最大隆起值为2.0cm。结论通过以上分析，可以得出以下结论：（1）通过开挖支护模拟，可以动态地观察隧道围岩在开挖过程中竖直位移及剪应变等的变化情况，从而可以实现对隧道开挖过程的全局动态模拟。（2）由不同开挖与支护的位移等值线图可以知道，适时采用支护，可以有效减小拱顶沉降和底面卸荷回弹等现象，这说明了隧道开挖中支护的重要性。（3）适时采用支护可以有效地减少剪应力。（4）在建模由于事先将开挖与支护的各个阶段保留在模型中，导致有限元的部分计算结果与实际有差异。参考文献[1]杨昌斌.张胜云.徐江波.刘贵应，FLAC3D在隧道初期支护与原岩条件的“耦合”问题的应用[J]煤田地质与勘探，2004.5[2]刘估荣、唐辉明，岩体力学[M]，武汉：中国地质大学出版社，1999：102[3]唐辉明,晏鄂川,胡新丽.工程地质数值模拟的理论与方法[M]，中国地质大学出版社.2001.