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断面形状与隧道工程稳定性关系研究目 录1 总论11.1 某隧道工程概述11.2 隧道工程发展概述11.3 影响隧道工程稳定性的相关因素分析62 隧道稳定性研究现状及存在问题112.1 隧道工程稳定性研究现状62.2 隧道工程稳定性研究中存在问题82.3 课题提出及研究方法8 3 有限单元理论简介113.1 有限单元法简介113.2 有限单元法特点114 flac软件简介及使用方法114.1 flac软件简介114.2 flac软件使用方法115 隧道断面形状的模型建立115.1 矩形断面隧道模型的建立115.2 梯形断面隧道模型的建立115.3 椭圆形断面隧道模型的建立115.4 圆形断面隧道模型的建立135.5 拱形断面隧道模型的建立146 断面形状对隧道工程稳定性的影响116.1 矩形断面隧道工程稳定性分析116.2 矩形断面隧道工程稳定性分析116.3 梯形断面隧道工程稳定性分析116.4 圆形断面隧道工程稳定性分析136.5 拱形断面隧道工程稳定性分析146.6 隧道工程稳定性的断面形状优化结果147 主要研究结论11参考文献 84致谢词 85附录8612FLAC 输入命令 FLAC 的输入和一般的数值模拟的程序不一样, 它可以用交互的方式从键盘输入各个命令, 也可以写成命令文件, 类似于批处理, 由文件来驱动。FLAC 命令大小写一样。所有的命令可以附带若干个关键词和有关的数值。在下面的命令解释中, 只有大写的字母起作用, 小写的字母写不写、写多少个都没有关系。i,j,m 和 n 开始的变量要求整型数, 否则要求实型数。实型数的小数点可以忽略, 但是整型数不能带小数点。数值间可以用空格隔开, 空格的数目不限,也可以用下面的分隔符隔开:( ), / = 表示可选的参数, 输入时括号不用输入; . 表示可以有任意个参数。 由 * 号开始到行末为注释, FLAC 在执行时不理会。 下面的 FLAC 命令按字母排列。Apply 关键词 = 数值 可以有下面的关键词: Pressure 压力 XForce X-方向的力 YForce Y-方向的力Attach 该命令可以将一条线上的结点和另一条线上的结点互相接合在一起, 用以形成复杂的网格形状。Call 文件名 写成的命令文件可以用 Call 命令来调用, 命令文件的最后一行必须是return, 以返回到交互方式。命令文件中不能有 call 命令本身。Config 关键词 FLAC 用以解平面应变问题, 但经过配置命令也可以用于解平面应力问题或轴对称问题。 需要时应在形成网格之前发。关键词有: P_STR 平面应力问题 AX 轴对称问题CYC n 该命令同 STEP, 为执行 n 个时步的循环运算。Fix X Y X Y 用此命令可以使 内结点的 x- 或 y- 方向的速度保持不变。 的格式可以是 I = i1,i2, J = j1,j2; i 和 j 何者先输入没有关系。如果要求位移固定, 则必须将速度初始化为零 (开始时速度的缺省值为零)。FIX 和 INI XV, YV 可以联合使用以提供一个刚性移动的边界条件。如果有 MARK 的关键词, 则只有在此范围内被标记的结点将被固定。Free X Y X Y 该命令与 FIX 命令相反, 用于放松对结点的约束。Gen x1,y1 x2,y2 x3,y3 x4,y4 用于在全域或局域中产生网格。(x1,y1)的点放在左下侧, (x2,y2)、 (x3,y3) 和 (x4,y4) 为顺时针排列。如果点和前一个 GEn 命令中的相同则用 SAME 来代替。如果网格不是均匀排列, 则用关键词 RATIO,在 I 和 J 方向的比例系数分别为 ri 和 rj.Gen Circle xc,yc rad Arc xc,yc xb,yb theta Line x1,y1 x2,y2 该命令产生园、弧或直线。 Arc 弧的圆心为 (xc,yc), 起始点为 (xb,yb), 逆时针的角为theta 度 Circle 园的中心为 (xc,yc), 半径为 rad Line 直线的两端为 (x1,y1) 和 (x2,y2). 用 ARC 等关键词所形成的边界系被标记 (参见命令 MARK 和 UNMARK)过, 标记结点所围住的区域在以后用命令 INITAL, MODEL 和 PROPERTY时可以用关键词 REGION 来说明。Gen Adjust 用此命令来微调网格, 使之离散平滑。该命令可以连续使用以增进平滑效果的。Grid icol jrow 此命令用以产生数目为 icol 列和 jrow 行的网格。对于 640k 内存的FLAC 版本, 如用摩尔-库仑的本构模型约可分两千个单元。Help 帮助命令, 可在屏幕上显示命令表。His 每隔 NSTEP 时步, 记录一下关键词所示项目在 i1 和 ji 结点或单元的数值。 NSTEP 的缺省值为 10. 用户应记住所要求 His (历史)的顺序, 因以后在打印或绘图时要用。历史值在 FLAC 停止运行时删除, 因此如果要保留的话, 要用到命令 HIS WRITE N (见下面)。 可以用的关键词有: Ang 单元 i,j 内的最小主应力和 X-轴所形成的夹角 PP 单元 i,j 内的孔隙压力 SIG1 单元 i,j 的最大主应力 SIG2 单元 i,j 的最小主应力 SXX 单元 i,j 的 xx-应力 SYY 单元 i,j 的 yy-应力 SXY 单元 i,j 的 xy-应力 X 结点 i,j 的 x-坐标 Y 结点 i,j 的 y-坐标 XDis 结点 i,j 的 x-位移 YDis 结点 i,j 的 y-位移 Unbal 最大不平衡力 XVel 结点 i,j 的 x-速度 YVel 结点 i,j 的 y-速度 XXA 单元 i,j 三角形 a 的 xx-应力 XYA 单元 i,j 三角形 a 的 xy-应力 YYA 单元 i,j 三角形 a 的 yy-应力 XXB 单元 i,j 三角形 b 的 xx-应力 XYB 单元 i,j 三角形 b 的 xy-应力 YYB 单元 i,j 三角形 b 的 yy-应力 XXC 单元 i,j 三角形 c 的 xx-应力 XYC 单元 i,j 三角形 c 的 xy-应力 YYC 单元 i,j 三角形 c 的 yy-应力 XXD 单元 i,j 三角形 d 的 xx-应力 XYD 单元 i,j 三角形 d 的 xy-应力 YYD 单元 i,j 三角形 d 的 yy-应力His 关键词 关键词可以是: Dump nhis 将第 nhis 的历史写屏; Write nhis 将第 nhis 的历史写在文件 FLAC.HIS 上, 该文件可在 FLAC 结束后打印出来。连续执行 HIS WRITE 命令可将结果顺序写在 FLAC.HIS 上, 但是首次执行此命令会将以前盘上所存的同名文件冲掉; Reset 所有的历史都清除掉。Initial 关键词 = 值 某些结点值可以给初值: PP 空隙压力 X x-坐标 Y y-坐标 SXX xx-应力 SYY yy-应力 SXY xy-应力 XDisp x-位移 YDisp y-位移 XVel X-速度 YVel y-速度 还有几个可选用的关键词以协助实现 INITIAL 命令: Mark 只有标记的结点值将被初始化 Region i j 为标记结点所围住的区域将被初始化。i,j 为标记区域中的任一个单元 Var xv, yv 在一定范围内的参数的变差值, xv 和 yv 为 x-方向和 y-方向的变差值。 范围可以有形式 I=i1,j1 J=j1,j2, 其中 i 和 j 的先后次序无关。Interface n 关键词 n 关键词 = 值 INTERFACE 为交界面命令。网格的一部分可以和网格的另一部分通过交界面而相互作用。界面的性质由其刚度, 粘结力和摩擦力来表征。用于本命令的关键词有: Aside i1,j1 Bdide i1,j1 Cohesion 粘结力值 Friction 摩擦力值 Glued KN 法向刚度值 KS 切向刚度值 TBond 抗拉强度 Unglued 胶结命令 GLUE 将使交界面的上下两部分胶结在一起, 使之不能滑动和分离, 命令 UNGLUE 则为命令 GLUE 之逆。Mark 在给定范围内的结点将被标记。计算的进行与结点的标记与否无关, 但标记的结点可以限定一个区域作为命令 INITIAL, PROP 和 MODEL 的作用域。命令 GEN 将自动对结点进行标记。的形式可以是 I=i1, i2, J=j1,j2, i 和 j 的顺序无关。Model 关键词 该命令对于给定的区域或范围赋予有关的本构模型。关键词有: Anisotropic 横观各向同性弹性模型 Elastic 弹性, 各同性本构模型 Mohr-Coulomb 摩尔-库伦塑性模型 Null 零模型, 用于开挖掉的单元 SS 应变软化 Ubiquitous 彻体节理模型NEW 该命令可以不用退出 FLAC 重新开始一个新问题。Plot 关键词 开关 . 用缺省值。可以在一行上连写几个关键词以在一个图上画出几个变量。在绘图前先要用 MODEL 命令赋予网格以一定的本构模型。关键词及其意义为: Beam 画出结构单元的几何形状 Boundary 画出网格的内外边界 Cable 画出锚束的几何形状 Disp 位移矢量 E_p 塑性应变的轮廓线 (只限于应变软化材料) Grid 画出 画出纪录在第 nhis 个历史上的变量值 PP 孔隙压力的等值线 RF 以矢量形式画出的固定结点的反力 State 画出单元中心当前的屈服状态塑性状态: 0 弹性 1 正在屈服中 2 曾经屈服, 现为弹性 3 已超过单轴抗张力 4 屈服并超过单轴抗张力 5 已经超过抗张力 6 彻体节理正在屈服 7 彻体节理过去屈服过, 现为弹性状态 Stress 主应力矢量 SXX xx-应力的等值线 (全应力) SYY yy-应力的等值线 (全应力) SXY xy-应力的等值线 Velocity 以箭头画出的速度矢量 WAter 水位线 XDisp x-位移的等值线 YDisp y-位移的等值线 XVel x-速度 YVel y-速度 所谓开关其本身也是关键词, 用于设置图形的的某些特征, 有: color 如红为 Red, 绿为 Green, 黄为 Yellow 等。 Interval = c 将等值线的间距置为 c. 在 PLOT 命令前发扫描线命令 SCLIN 可以画出等值线的值。 Max = v 在画矢量时, 置箭头的最大长度为 v. Noh 不画标题 Zero 不画零值线 如果要放大或缩小图形, 可以在 PLOT 命令前用 WINDOW 命令来设置窗口的大小。Print 关键词 . 和绘图命令 PLOT 一样, 结点变量的值只有在给定的材料模型和性质后才可以打印出来。关键词有: Apply 打印出所施加力或压力的大小和范围 Fix 打印出固定 x 或 y 的结点 Limits 对 SOLVE 命令的限制值 Mark 打印出标记结点 Mem 占用的内存 Struct 打印出结构单元上有关结点的力, 力矩和位移 Interface 打印出交界面的数据, 包括结点力和单位法向矢量 主要的网格关键词 Bulk 体积模量 Cohesion 粘结力 Den 质量密度 Dilation 剪胀角 E_p 全塑性应变 (应变软化模型) Friction 摩擦系数 Shear 剪切模量 X X-坐标 Y Y-坐标 PP 孔隙压力 JFric 节理摩擦力 Jcoh 节理粘结力 Jangle 节理角度 NUYx y-x 泊松比 NUZx z-x 泊松比 SIG1 最大主应力 SIG2 最小主应力 SXX XX-应力 SYY YY-应力 SXY XY-应力 Theta 最小主应力与 x-轴的夹角 XDis X-位移 YDis Y-位移 XMod X-模量 YMod Y-模量 XVel X-速度 YVel Y-速度 ASXX XX-应力 (三角形 A) BSXX XX-应力 (三角形 B) CSXX XX-应力 (三角形 C) DSXX XX-应力 (三角形 D) ASYY YY-应力 (三角形 A) BSYY YY-应力 (三角形 B) CSYY YY-应力 (三角形 C) DSYY YY-应力 (三角形 D) ASXY XY-应力 (三角形 A) BSXY XY-应力 (三角形 B) CSXY XY-应力 (三角形 C) DSXY XY-应力 (三角形 D) State 塑性状态 0 弹性 1 正在屈服中 2 曾经屈服, 现为弹性 3 已超过单轴抗张力 4 屈服并超过单轴抗张力 5 已经超过抗张力 6 彻体节理正在屈服 7 彻体节理过去屈服过, 现为弹性状态 Tables 打印所存贮的表格 XReaction X-反力 YReaction Y-反力PROp 关键词 =值 本命令为 MODEL 命令赋予 材料的性质。下面的关键词对 PROPERTY 命令加以补充: Region i,j 所有为标记结点所连续包围的区域将赋予该性质。i,j 单元可为标记区域中的任一单元 Var xv yv 性质可以有变差, xv 和 yv 分别为 x-方向和 y-方向的变差值 可为 I=i1,i2, J=j1,j2, i 和 j 孰者在前无妨, 但 必需在输入行的最后。 各种模型所需输入的性质为: 弹性 (1) 剪切模量 (2) 体积模量 (3) 密度 摩尔-库伦 (1) 剪切模量 (2) 体积模量 (3) 密度 (4) 摩擦角 (5) 粘结力 (6) 剪胀角 (任选) 横观各向同性 (1) 剪切模量 (2) x-模量 (3) y-模量 (4) 密度 (5) NUYx (6) NUYz 砌体节理 (1) 剪切模量 (2) 体积模量 (3) 密度 (4) 粘结力 (整体材料) (5) 摩擦力 (整体材料) (6) 节理粘结力 (7) 节理摩擦力 (8) 节理角 (9) 整体材料的剪胀角 (任选) 应变-硬化/软化 (1) 剪切模量 (2) 体积模量 (3) 密度 (4) 初始摩擦角 (任选) (5) 初始粘结力 (任选) (6) 摩擦角和塑性应变的关系表的表号 (7) 粘结力和塑性应变的关系表的表号 (8) 剪胀角和塑性应变的关系表的表号 如果表号给 0, 则取关键词 COHESION, DILATION 或 FRICTION 所给出的值。Quit 该命令同 STOP, FLAC 终止运行。Restore 文件名 把以前用 SAVE 命令所存的文件读入内存恢复现场。Return 该命令应是输入数据文件中的最后一个命令。Save 文件名 将内存中问题的现场存入文件中, 如果已经有同名的文件, 则该文件将被复盖。Sclin n x1,y1 x2,y2 该命令在屏幕上作一个扫描线, 以切割等值线, 交点以 A 到 Z 的字母来表示。在一张图上最多可以有 5 条扫描线。扫描线的参数为: n = 扫描线的编号 (必需为 1,2,3,4 或 5) x1,y1 = 扫描线的起点坐标 x2,y2 = 扫描线的终点坐标Set 该命令设置整体条件, 其关键词有: Aspect a 调整屏幕的高宽比, 以使输出不变形 Col n n 为打印输出的最大列数。用户必需在运行 FLAC 前设置好打印机的列数。 EGA 设置 640x350 的 EGA 图形模式 Force f 设置 SOLVE 命令时的不平衡力的限值。 Gravity g 重力加速度 g 及其与负 y-轴的夹角 Large 大变形 (坐标更新) Log ON 在当前盘上打开名为 FLAC.LOG 的文件, 以纪录 FLAC 的运行进程。如果 FLAC.LOG 文件已经存在, 则将被复盖。 OFF 关闭 FLAC.LOG 文件。如果在稍后再 SET LOG ON, 则屏幕显示将继续纪录在 FLAC.LOG 文件上。 Small 小变形 (坐标不更新) STep n SOLVE 命令进行计算循环的限制数目。 Time t SOLVE 命令进行计算的限制时间的分钟数。SOLve 用本命令进行计算循环, 关键词为: Step 时步数目 Time 运行时间 (分钟数) Force 不平衡力 缺省值为: S = 500 时步 T = 5 分钟 F = 100 最长的时限为 1440 分钟 (24 小时), 如果要求运算超过一天, 则可以用几个 SOLVE 的命令。FLAC 在运行中如要中止, 可以按退出键 Esc退出循环, 将控制转给用户, 进行交互操作Step n 执行 n 个时步的循环运算。Stop FLAC 终止运行。Struct 关键词 . . . STRUCT 命令用于定义结构单元的几何形状, 性质等条件。STRUCT 命令要求说明结构单元的类型和形状以及它与 FLAC 网格的连接情况。定义结构单元的关键词有: (1) 结构类型关键词 梁 一个梁单元系在关键词 BEAM 后用梁的几何形状和性质的关键词及其值来表征。 锚束 一个锚束单元系在关键词 CABLE 后以其几何形状和性质的关键词及其值来表征。 (2) 结构单元的几何形状及其结点联结 Begin 关键词 关键词 BEGIN 表征梁或锚束的起始点 End 关键词 END 表征梁或锚束的终了点 结构单元的端点可以在 BEGIN 和 END 关键词后直接用下面三个之一的关键词来表征: Grid i,j 结构单元的起点或终点为结点 i,j Node n FLAC 将自动按照构件单元输入的顺序为结构单元的结点编号, 此处 n 为所编的第 n 号结点。 x,y 直接给端点以 x 和 y 坐标。 (3) 结构单元的性质类型关键词 Prop n 结构单元的类型要赋予性质数 n , 用 struct prop=n 再加上关键词及其值来说明。 (4) 结构单元分段的关键词 Seg k 将结构单元等分成 k 个分段。 (5) 锚束预加张力的关键词 Tension tStruct Node=n 关键词 每个结构结点用下列的关键词可以有不同的边界或几何条件。 FFIx 可以将 n 结点的 x- 和/或 y- 位移或转动固定。 Free 此命令为命令 FIx 之逆。 Pi 使结点 n 为铰接, 即放松力矩。 Load fx,fy,m 可对结点 n 施加 x- 和/或 y- 方向的力或力矩。 x,y n 结点的 x-坐标和 y-坐标。Struct Prop=n 关键词 = 值 性质的关键词有: E = 值 I = 值 (梁的惯性矩) Area = 断面值 KBond = 灰浆的粘结刚度 力/锚束单位长/位移 SBond = 灰浆的粘结强度 力/锚束单位长 Yield = 锚束的屈服强度 (力)System 不退出 FLAC 暂时进入 DOS 系统, 可以执行的 DOS 命令有:DIR, COPY, REN, DEL 和 TYPE. 用回车键可以回到 FLAC.Table n x1 y1 建成一个点的坐标的表, 以供 FLAC 引用。n 是表号。Title 在标题命令 TITLE 的下一行输入标题的名称。Unmark 去掉在给定范围内结点的标记。Water 引入水面下的孔隙压力, 孔隙压力为正。命令 WATER TABLE =0 将撤去所有结点的孔隙压力。Window 该命令按照 xlo (x-低坐标), xhi (x-高坐标) 和 ylo (y-低坐标),yhi (y-高坐标) 建立一个窗口, 否则为自动建立 (AUTO).命令流文件示例：“Bysj03.txt”title*biyesheji 梯形*grid 80 80m mgen 0 0 0 40 40 40 40 0 i 1 81 j 1 81*material 4 泥岩unmark i 1 81 j 1 81mark i 1 81 j 1 21prop bulk =3e8 s=6e7 d=1000 f=12 c=4e6 reg i 1 81 j 1 21*material 1 粉砂岩unmark i 1 81 j 1 81mark i 1 81 j 21 41prop bulk=2e9 s=4e8 d=2000 f=28 c=9e6 reg i 1 81 j 21 41*material 5 中砂岩unmark i 1 81 j 1 81mark i 1 81 j 41 61prop bulk=4e9 s=9e8 d=2850 f=40 c=9e6 reg i 1 81 j 41 61*marerial 3 粉砂岩unmark i 1 81 j 1 81mark i 1 81 j 61 81prop bulk=2e9 s=4e8 d=2000 f=28 c=9e6 reg i 1 81 j 61 81fix y i=1 81 j=1fix x i=1 j=1 81fix x i=81 j=1 81unmark i 1 81 j 1 81gen line 17.5,19 18.5,22gen line 18.5,22 21.5,22gen line 21.5,22 22.5,19gen line 22.5,19 18,19 mark i 38 44 j 39 45mark i