计算机数值模拟实验论文

研究生课程考核试卷科目： 计算机数值模拟实验 教师： 姓名： 学号： 专业： 类别： 上课时间： 2016 年 4 月 至 2016 年 5 月 t考生成绩：卷面成绩 平时成绩 课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师 (签名)重庆大学课程论文 基于 FLAC3D 的矩形隧道开挖设计1基于 FLAC3D 的矩形隧道开挖分析1 引言FLAC3D 是一个开放的系统，通过其命令驱动模式使得用户可以参与从网格模型的建立、边界条件的设置、参数的调试到计算结果的输出等几乎全部求解过程。本文拟从矩形隧道的开挖模拟全过程来更好地熟悉和掌握 FLAC3D 的使用。隧道工程的开挖，会使开挖区周围岩土体的应力重新进行分布，开挖区的应力释放及变形也对边坡的稳定性造成影响，因此隧道开挖具有一定实际意义。1.1 问题描述本文讨论“矩形断面隧道施工设计” ，矩形断面宽 5m，高 4m，考虑隧道不同埋深，不同水平应力对隧道围岩稳定性影响。模型采用各项同性岩体，Mohr-Coulomb 强度准则，岩体力学参数参考相关文献自己选取。注：考虑埋深与水平应力不少于三种情况。表 1.1 为本文在编程中选取的力学参数。表 1.1 岩层物理力学参数岩性 /kgm-3 K/Pa c/MPa /() Rm/MPa G/Pa泥岩 2530 5e9 0.8 28.61 0.1 1e92 建模过程2.1 模型建立由于矩形模型具有对称性，可以采用 1/4 模型进行分析。首先建立坐标系，坐标系的远点 O 设置在模型对称轴的点，水平向右为 x 方向，竖直向上为 z 方向，垂直于分析平面的方向为 y 方向。根据设计要求，建模使用平行六面体隧道外围渐变放射网格单元，如下图 2.1，建立网格单元后利用镜像生成完整网格。重庆大学课程论文 基于 FLAC3D 的矩形隧道开挖设计2图 2.1 平行六面体隧道外围渐变放射网格单元网格建立的命令如下：new;=建立模型=generate zone radtunnel p0 0 0 0 p1 25 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 20 ;镜像生成网格plot add surface yellow sav model.sav2.2 初始应力计算网格建立后，将网格赋值为 Mohr 模型，对边界条件和力学参数进行设定。本设计中设定的力学参数如表 1.1 中所示，对 x 两侧、y 两侧、z 底面的边界进行速度约束。newrestore model.sav;=设置强度准则=model mohrprop bulk=5e9 shear=1e9 coh 8e5 fri 28.61 ten 1e5 initial density 2.53e3;=初始边界条件=fix x range x -24.9 -25.1重庆大学课程论文 基于 FLAC3D 的矩形隧道开挖设计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由于要考虑不同埋深和不同水平应力的影响，本文中选取埋深分别为200m、400m、600m ，垂直应力和水平应力的取值如表 2.1 所示。表 2.1 垂直应力和水平应力取值编号 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在初始应力设置过程中需要对程序中相应参数进行修改，编号 1、2 、3 三组为同一埋深下三种不同水平应力设置，编号 2、4 、5 为同一水平应力下三组不同埋深（即垂直应力）设置。编号 1#初始应力参数设置为:apply szz -5.02e6 range z 19.9 20.1ini szz -5.02e6ini sxx -1e5ini syy -1e5编号 2#初始应力参数设置为:apply szz -5.02e6 range z 19.9 20.1ini szz -5.02e6ini sxx -1e6重庆大学课程论文 基于 FLAC3D 的矩形隧道开挖设计4ini syy -1e6编号 3#初始应力参数设置为:apply szz -5.02e6 range z 19.9 20.1ini szz -5.02e6ini sxx -1e7ini syy -1e7编号 4#初始应力参数设置为:apply szz -10.4e6 range z 19.9 20.1ini szz -10.4e6ini sxx -1e6ini syy -1e6编号 5#初始应力参数设置为:apply szz -15.07e6 range z 19.9 20.1ini szz -15.07e6ini sxx -1e6ini syy -1e62.3 开挖过程模拟设置好初始应力后，在进行开挖模拟前要将初始应力计算过程中产生的节点位移的速度进行清零处理，程序如下：newrestore stress_initial.sav;开挖;ini xdis 0 ydis 0 zdis 0ini xvel 0 yvel 0 zvel 0model null range gr 巷道solvesave excavation.sav3 结果分析3.1 初始应力分析首先对模型施加初始应力后计算得到的竖向应力和水平应力进行分析，图 3.1、3.2 为不同埋深和不同水平应力下的初始竖向应力云图和初始水平应力云图。重庆大学课程论文 基于 FLAC3D 的矩形隧道开挖设计5(a) 1# (b) 2#(c) 3# (d) 4#(e) 5#图 3.1 初始竖向应力云图通过对图 3.1 中(a)、(b) 、(c) 可以看出在同一埋深 200m 下，1e5、1e6 、1e7Pa 水平应力下，最大竖向应力先增加后减少，但差别不大，分布在模型底端，最大值大约为6e6Pa，但竖向应力云图的分布稍有差别，说明同一埋深下不同水平应力会导致竖向应力发生变化。通过对图 3.1 中(b)、(d) 、(e)进行比较发现，在同一水平应力 1e6Pa 下，200m 埋深下最大竖向应力为 6.07e6Pa，400 米埋深下最大竖向应力为 1.09e7Pa，600 米埋深下最大竖向应力为 1.59e7Pa，即随着埋深成倍增加，最大竖向应力也大致成倍增加，这也与事实情况相符。同时我们发现，随着埋深增加，竖向应力开始向模型 XZ 平面竖直对称面集中，说明竖直应力的增加对模型中部的影响高于对边界处的影响。表 3.1 初始竖向应力、初始水平应力最值编号最大初始竖向应力（Pa ）最小初始竖向应力（ Pa）最大初始水平应力（ Pa）最小初始水平应力（ 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重庆大学课程论文 基于 FLAC3D 的矩形隧道开挖设计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#图 3.2 初始水平应力云图在图 3.2 中可以看到随着深度的增加，水平应力增大，在图 3.2(a)、(b)、(c)中，同一埋深下，随着水平应力的增加，最大水平应力和最小水平应力均先减小后增大，初始水平应力的变化并不随施加的水平应力的变化而线性变化。图 3.2 中(b)、(d)、(e) 显示同一水平应力下，随着埋深线性增加，最大水平应力和最小水平应力均大致呈线性增加，且水平应力云图分布发生变化，模型水平应力分布呈扩散趋势。3.2 开挖分析3.2.1 开挖后塑性区分析在 FLAC3D 中采用摩尔库伦模型进行模拟时，可以通过 block state 显示哪些应力符合屈重庆大学课程论文 基于 FLAC3D 的矩形隧道开挖设计7服准则的区域（或称塑性区） ，以观察潜在破坏区域的范围。塑性区标识以不同的颜色显示两种类型的破坏机制即剪切破坏（shear failure）和拉伸破坏（tensile failure）：某一区域的应力正位于屈服面上，或者说正处于破坏状态时，以 shear-n 或 tension-n 标识；某一区域在计算过程中曾进入过屈服状态，但现在已经退出，以 shear-p 或 tension-p 标识。(a) 1# (b) 2#(c) 3# (d) 4#(e) 5#图 3.3 开挖后塑性区分布图从图 3.3 中可以看到本文中的 5 个模型都存在塑性区，表明塑性流动正在发生。由于本文中没有对隧道进行监护，隧道破坏也是正常的。但 5 个模型中塑性区的分布存在差别，由图 3.3(a)、(b) 、(c) 我们可以看到，随着水平应力的增加，塑性区范围缩小，剪切破坏区变小，未破坏区域变大。重庆大学课程论文 基于 FLAC3D 的矩形隧道开挖设计8比较 3.2 中(b) 、(d) 、(e)发现同一水平应力下，随着埋深增加，红色和灰色区域增多，蓝色区域和黄色区域变小，塑性流动发生的区域增多，同时可以发现隧道上下底面先进入屈服状态，即上下底面先发生塑性破坏。3.2.2 开挖后竖向应力云图分析开挖后竖向应力在隧道左侧和右侧岩壁中心线附近达到最大值，在隧道上底面和下底面中心线附近有最小值。由表 3.2 可以清楚地看到，随着水平应力的的增加，最大竖向应力减小；随着埋深的增加，最大竖向应力增大。对模型底部来说，四角的竖向应力比底部中部受的竖向应力要大，由隧道左壁向模型左底角、隧道右壁向模型右底角区域有竖向应力集中现象。隧道上底面向模型顶部部分和隧道底部向模型底部部分受竖向应力较小。(a) 1# (b) 2#(c) 3# (d) 4#(e) 5#图 3.4 开挖后竖向应力云图3.2.3 开挖后竖向位移云图分析图 3.4 为 5 中情况下开挖后竖向位移云图，由图中可以看到，隧道上底面和下底面竖向变形较大，所以在不支护的情况下可能冒顶和底面拱起；开挖后，上底面的最大竖向位重庆大学课程论文 基于 FLAC3D 的矩形隧道开挖设计9移绝对值会比下底面的最大竖向位移绝对值大。比较图 3.4(a)、(b) 、(c) 发现，随着水平应力的增大，隧道顶部和底部的最大竖向位移均增大；比较图 3.4 中(b)、(d) 、(e) 发现，埋深由 200m 增加到 400m 时，隧道顶部最大竖向位移由 1.67e-2m 增大到 3.65e-2m，隧道底部的最大竖向位移由 1.23e-2m 增加到 3.25e-2m，隧道顶部和底部的增长基本一致，而当埋深由 400m 增加到 600m 时，隧道顶部的最大竖向位移由 3.65e-2m 增大到 6.91e-2m，隧道底部的最大竖向位移由 3.25e-2m 只增大到3.98e-2m，增长幅度明显小于前一次增加埋深时的增长值，说明此时隧道下底面最大竖向位移受埋深影响较小，埋深主要影响到隧道