FLAC3D在隧道开挖支护中的应用

FLAC3D3 0 在某隧道工程开挖支护中的应用 phonixs FLAC3D 计算优势 FLAC3D Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions 是由美国 Itasca Consulting Group Inc 开发的三维显式有限差分法程序 该程序采用 混合离散化 mixed discretization 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 Static Analysis 动力 Dynamic Analysis 蠕变 Creep Material Model 渗流 Fluid mechanical Interaction 及热力学 Thermal Option 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 3d 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 0 27 0 26 密度 Kg m3 2300 2300 剪切强度 MPa 0 4 1 0 o8 X n S 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 set log on set logfile yang log gen zon radcyl p0 0 0 0 p1 9 0 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 8 mohr coulomb model model moh def derive s 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 end set E mod1 0 6e9 p ratio1 0 27 E mod2 0 8e9 p ratio2 0 26 derive prop bulk b mod1 shear s mod1 cohe 1 8e6 tens 0 8e6 fric 30 range z 4 5 w U t7 prop bulk b mod2 shear s mod2 cohe 2 8e6 tens 1 0e6 fric 35 range z 40 4 5 ini dens 2300 set grav 0 0 10 boundary and initial conditions apply szz 1 4e6 range z 19 9 20 1 fix z range z 40 1 39 1 fix x range x 45 1 44 9 fix x range x 44 9 45 1 fix y range y 49 9 50 1 hist unbal hist gp xdis 6 0 0 0 hist gp zdis 0 0 5 hist gp xdis 6 0 50 0 hist gp zdis 0 50 5 plot hist 3 solve save 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 ini xdis 0 ydis 0 zdis 0 plot re model null range group 原岩 model null range group 二次衬砌 model null range group 初期支护 set large hist unbal plot hist 3 solve save tun 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 restore tun nature sav ini xdis 0 ydis 0 zdis 0 plot re model null range group 初期支护 model null range group 二次衬砌 model null range group 原岩 step 100 hist unbal plot hist 3 model range group 初期支护 prop bulk 1 33e9 shear 0 8e9 cohe 2 2e6 tens 1 2e6 fric 32 range z 4 5 7 0 x 7 0 7 0 prop bulk 10 9e9 shear 8 9e9 dens 2500 range group 初期支护 set large solve save tun 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