隧道工程大作业

地质力学分析和设计的一个重要方面是利用结构支撑来稳定岩石或土壤质量。任意几何和性质的结构，以及它们与岩石或土体的相互作用，可以是用FLAC3D建模。本节描述结构支撑构件(梁、索、桩)的类型。外壳、地质格栅和衬垫或结构单元，可在FLAC3D中找到，以及数值公式支持结构元素逻辑。结构元素既可以独立于代表固体连续体的网格，也可以耦合到网格上。结构元素逻辑的实现与其余的方法一样，都是显式的拉格朗日求解过程。代码(相对于隐式矩阵反演过程)：完整的运动方程是解决了，甚至对于本质上是静态的建模过程也是如此。大位移，包括几何位移非线性，可以通过指定一个大应解模式来解决；系统在时域上也可以通过动态分析选项得到。本概述部分的组织方式如下。我们首先简要描述FLAC3D提供的六种结构支持成员。然后，在术语中，对相关术语进行高层次的介绍.。结构元素的创建和连接的方法是接下来讨论(几何创建和连接结构元素)。讨论内容包括描述由梁结构的集合组成的特定物理实体(例如物理梁)。元素和节点可以被引用-用于绘制和指定属性和边界。条件-作为一个单一的单位。文中还介绍了边界规范的一般程序，以及初始条件(指定边界和初始条件)，壳中的应力(壳中的应力),协调系统和符号约定(在地方系统和签署公约中)，阻尼条件(在指定阻尼和时间步长条件)，热膨胀(结构中的热膨胀元素)和材料特性(在材料特性中)。在描述FLAC3D结构单元的每一种类型之前，讨论结构节点可以规定的各种条件是很有帮助的。这是在结构元素节点中完成的。本节还包括与节点关联的命令摘要。然后详细描述了每种结构单元的梁、索、桩、壳、土工格栅和衬砌结构单元。这包括对机械行为、所需属性和相关命令的描述。最后，在每一节的末尾都包含了一些简单的例子，说明了每种结构元素类型的应用。在结构元素逻辑的一般表述中，详细讨论了FLAC3D中结构元逻辑的一般形式。希望实现结构元素和网格之间更复杂的交互的用户应该查阅本节，以了解实现过程。在整个章节中，矩阵和向量将用黑体表示。数学符号,【】和，并将分别指定矩形矩阵、对角线矩阵、列向量和行向量。此外，结构和元素矩阵将描述大写和小写英文字母字符。例如，K和k分别指定结构矩阵和单元刚度矩阵。结构元素类型六种形式的结构-支持成员可以指定。这些成员中的每一个都可以相互连接和/或网格。 1、梁结构单元-梁结构单元是两个节点，直线，每个节点有六个自由度的有限元：三个平移部件和三个旋转部件。梁(即各向同性材料和双对称截面的任意弯曲梁结构)可以被建模为梁单元的集合。每个单元表现为没有破坏极限的线性弹性材料；然而，可以引入一个极限塑性弯矩，甚至一个塑性铰链(旋转中的不连续性可能会在其中发展)。在元素之间。梁单元可以与网格严格连接，当网格变形时，梁内产生力和弯矩，它们可以通过点荷载或分布荷载来加载。梁单元用于对存在弯曲抗力和有限弯矩的结构支撑构件进行建模，包括在明渠开挖和一般框架结构中的点荷载或分布荷载作用下的支撑柱。 2、锚杆结构单元.锚杆结构单元是两节点、直的、有限元单元，每个节点具有一个轴向平移自由度.。索(即各向同性材料的任意弯曲的索结构)可以被建模为索单元的集合。每个元件都可以在拉伸或压缩中屈服，但不能抵抗弯矩。在索和网架之间发生剪切方向(与锚杆轴线平行)的摩擦相互作用。锚杆可以锚定在网格中的一个特定点，或者通过灌浆使力沿其长度发展，以响应锚杆与网格之间的相对运动。锚杆也可能是点加载或预紧。索元件被用来建立各种结构支撑构件的模型，这些构件的抗拉能力是非常重要的，包括锚杆螺栓和系杆。 3、桩结构单元-桩结构单元为双节点、直线、有限元，每个节点有6个自由度。桩可以模拟成桩元的集合。桩单元的刚度矩阵与梁单元的刚度矩阵是一致的；然而，除了提供梁的结构性能外，在桩与网格之间还会发生法向(垂直于桩轴)和剪切方向(与桩轴平行)摩擦相互作用。从这个意义上说，桩提供梁和电缆的综合特性。除了摩阻效应外，还可以模拟端承效应(见轴向受载桩).。桩的荷载可以是点荷载，也可以是分散荷载。桩单元用于模拟基础桩等结构支挡构件，对其进行正常和剪切两种形式的摩擦作用，与岩体或土体发生相互作用。 本文还建立了一种特殊的材料模型作为桩单元的扩展，用于模拟锚杆加固的性能。该模型考虑了钢筋周围围压应力的变化、结构单元与网格之间材料的应变软化行为以及单元的拉伸断裂。 4、壳结构单元-壳结构单元是三节点平面有限元.。有五种有限元形式(2种膜单元、1种板弯单元和2种壳单元)。壳(即各向同性或正交异性材料的任意弯曲的壳体结构)可以模拟为由壳体单元集合组成的面面。壳体的结构响应受有限元形式控制(仅抵抗膜荷载、弯曲荷载，或同时承受膜和弯曲荷载)。各壳单元表现为各向同性或正交异性、线性弹性材料，没有破坏极限；然而，人们可以在单元之间的边缘引入一条塑性铰链线(旋转中的不连续性可能发展)，使用与梁相同的双节点程序。壳单元可以与网格严格连接，以便应力随着网格的变形而在壳内发展，并且可以通过点荷载或表面压力来加载。采用壳单元对任何薄壳结构提供的结构支撑进行建模，忽略横向剪切变形引起的位移。 5、土工格栅结构单元-土工格栅结构单元是三节点、平面、有限元，它们被指定为一种有限元类型，它能抵抗薄膜，但不抵抗弯曲荷载。膜可以模拟成土工格栅单元的集合。土工格栅单元表现为各向同性或正交异性、线性弹性材料，无破坏极限。格栅与FLAC3D网格之间存在切变方向(切面到土工格栅表面)摩擦相互作用，使该格架沿法向运动。土工格栅可以锚定在FLAC3D网格中的一个特定点，或者附加在它的表面上，从而响应于该格网与FLAC3D网格之间的相对运动。土工格栅可以被认为是一维锚杆的二维模拟.。土工格栅单元用于模拟与土的剪切相互作用非常重要的柔性膜，如土工织物和土工格栅。6、衬砌结构单元-衬砌结构单元是三节点扁平有限元单元，可指定为壳体单元的五种有限元类型中的任意一种。线性可以建模为连接到FLAC3D网格表面的线性元素的集合。除了提供壳体的结构特性外，还会在衬板与FLAC3D网格之间发生剪切定向(切面到衬垫表面)摩擦相互作用。另外，在法向上，可以同时承受压缩力和拉力，衬里也可以承受。可能会从网格中脱离(并随后与之重新接触)。衬砌单元用于模拟薄衬砌，在这种衬砌中既发生了正常的压缩/拉伸作用，又发生了与宿主介质的剪切摩擦作用，如喷射混凝土衬砌隧道或挡土墙。一个选项，允许与FLAC3D网格的两面线是可用的衬垫元素。术语FLAC3D通过加入结构单元逻辑，可以模拟由实体连续体和承载构件组成的机械系统的结构响应。固体连续体由一组多面体形状的区域组成，每个区域都与一组网格点相关联。该框架由一组结构元素表示，每个元素都与一组节点相关联。框架通过连接节点到区域(不仅仅是网格点)或其他节点的链接与实体连续体进行交互。六自由度，由三个平移分量和三个旋转分量组成，与每个节点相关联。每个节点都有自己的局部正交坐标系。节点-局部系统提供了求解节点运动方程的方向，并定义了节点可以通过链接连接到目标实体的方向。链接支持以下三种附件条件，它们分别为源节点的每个本地方向指定：自由、刚性和可变形。有关结构元素链接的详细说明，请参阅结构元素链接。对于大多数建模情况，没有必要指定链接属性；相反，只需为所需的结构元素创建、定位和分配属性就足够了。节点(如果需要的话，链接)将自动创建，并从使用它们的结构元素继承必要的信息。几何创造这六种结构元素提供了为六种物理项目建模所需的积木或构件：梁、锚杆、桩、壳、土工格栅和衬里。每个物理项直接与同一类型的组件对象集合相关联。例如，锚杆与锚杆元素集合相关联，而索则与索元素集合相关联。通过为每个结构元素存储两个不同的标识号，实现了物理项与它们相应的组件对象之间的关联：1、id-ID号指的是物理项。 2、component-id组件ID号引用组件对象本身。 属性可以为每种类型的物理项指定，并将由关联的组件对象自动继承。例如，命令struct cable property grout-friction=30.0 range id=3将指定一个30度的浆液摩擦角给所有的电缆元件，这些元素是电缆的一部分，ID号为3，而命令则是 struct cable property grout-friction=30.0 range component-id=3将指定一个灌浆摩擦角为30度的单一锚杆单元，其部件ID数为3。梁、锚杆、桩、壳、土工格栅和衬砌图项允许您查看六种不同的元素类型以及节点和链接。梁、锚杆、桩结构单元梁、锚杆、桩的几何尺寸是由相应的构件对象集合定义的。所有这三种类型的创建命令都是相同的，为了简单起见，下面的例子将是锚杆元素，但它们也同样适用于桩或梁单元。 可以使用结构锚杆创建命令，以三种方式之一：1、通过指定两端位置(结构锚杆按行创建)，2、通过指定两端两个节点的ID号(结构锚杆创建节点)，或3、通过指定一个起点、一个方向和一个长度(结构锚杆由射线创建)。每个CREATE命令都使用一个可选的ID参数来表示要创建的项的ID。如果没有提供ID，则将使用下一个可用的ID。新的节点自动创建在等距内点沿线。如果节点已经存在于其中一个结束位置，并且由具有相同节点的元素使用。ID与命令中给定的ID一样，在此位置不创建新节点；否则将创建新节点。可以使用结构锚杆导入命令从外部几何信息创建一组电缆。对于导入数据中的每个线段，将创建一个或多个电缆元素。目前，数据可以通过以下三种方式之一导入： 1.从现有几何图形集中（结构锚杆从-几何图形导入）。请参见几何图形用于创建几何集的详细信息。2.从兼容的CAD文件（从-file导入结构电缆）。当前兼容的文件类型是DXF、STL和ITASCA几何格式。3.从挤压机组(结构锚杆从挤压机中导入)。请参见“挤压”如何使用2D挤压机。下面的示例(如图1所示)演示了节点和结构元素之间的关联机制。在这些图中没有绘制节点。相反，锚杆元件是以其真实长度的90%绘制的。考虑一个由5的id标识的弯曲锚杆，它由7个元素和8个节点组成。每个元素都存储5的锚杆id，以及它自己独特的组件id。这可以通过将鼠标移动到元素上并检查信息窗口来看到。这样，这7个元素被组合成一个复杂的，任意弯曲的锚杆，可以用5的单一id来表示。图1：标识为5的单个弯曲锚杆的表示生成模型所需的命令如图1所示，在selexample1-1.f3dat中给出。selexample1-1.f3dat：创建ID为5的单个弯曲锚杆。model newstruct cable create by-line (0.0,4.0,0.0) (3.0,4.0,0.0) segments=2 id=5struct cable create by-line (3.0,4.0,0.0) (6.0,3.0,0.0) segments=3 id=5struct cable create by-line (6.0,3.0,0.0) (9.0,1.0,0.0) segments=2 id=5没有任何限制要求结束位置位于FLAC3D网格中；事实上，根本没有必要有一个网格。(回想一下，结构元素既可以独立于表示固体连续体的网格，也可以耦合到网格上。)。使用结构拉索创建命令时，如果有任何节点新创建的元素使用在区域内，这些节点将链接到这些区域，链接属性将与梁、锚杆和桩结构单元中描述的相应元素行为一致。最常见的原因是，在终端位置之间指定一个以上的段是为了提高精度，特别是与主机介质相互作用的桩和锚杆。在这种情况下，剪力沿每个桩或拉索的分布是一个函数，在一定程度上，节点的数目。以下规则-经验法则已用于确定锚杆建模时要使用的节点数：1、尝试在每个FLAC3D区域中提供大约一个节点。这里的理由是，由于区域是恒应力区域，在一个区域内没有必要有多个相互作用点。2、试着在电缆的开发长度内提供两到三个锚杆元件。锚杆的发展长度是由指定的屈服强度除以灌浆的粘聚强度来决定的。按照这个程序，如果出现这种情况，“拔出”可能会发生故障。如果锚杆单元太长，那么每个单元的屈服失效模式是可能的。(这种推理也适用于用于模拟锚杆行为的桩单元。)壳体、土工格栅和衬砌结构单元 shell、Geogrids和liner的几何结构是通过它们相应的组件对象集合来定义的。所有这三种类型的创建命令都是相同的，为了简单起见，下面的示例将用于shell元素，但它们对于geogrid元素或lineled元素也同样有效。可以使用Structure Shell Create命令创建单个shell面(由多个单独的元素组成)，方法有四种：1、通过指定一组表面区域面，将在哪些元素上创建(Structure Shell逐面创建)。2、通过指定四个现有的结构节点，形成一个四边形(结构壳由节点创建)。3、通过指定空间中的四个点，形成一个四边形(结构壳由四边形创建)。4、通过指定空间中的三个点，形成一个三角形(结构外壳由三角形创建)。还可以使用结构外壳导入命令从外部几何信息创建外壳面。对于导入数据中的每个行段，将创建一个或多个shell元素。当前，可以通过以下两种方式之一导入数据：1、从现有的几何集合(结构外壳从-几何学导入)。见几何学以获得创建几何集的详细信息。2、从兼容的CAD文件(结构外壳从-文件导入).。目前兼容的文件类型有DXF、STL和Itasca几何格式。在FLAC3D中创建shell类型元素的最常见方法是使用Structure Shell Create by Faces命令，该命令将它们放置在区域面上。作为一个例子，几何逻辑被用来创建一个45度弧面的壳单元。在selexample1-2.f3dat中列出的命令。几何图形边按弧创建命令是用来创建一个45弧段，在8段，然后几何图形生成从边缘命令是用来将这些边在y方向上挤压成8段，然后结构外壳从-几何学中导入来使用这种描述，在几何描述中每四边形创建两个三角形外壳单元。图2显示了生成的shell元素。model newgeometry select cylgeometry edge create by-arc origin (0,0,0) start (0,0,1) end (0.707,0,0.707) segmentsgeometry generate from-edges extrude (0,1,0) segments 8struct shell import from-geometry cyl图2：使用几何描述生成shell元素所创建的曲线外壳的表示将结构元素相互连接并连接到网格结构元素可以通过共享节点或通过将它们的一个节点链接到另一个节点或区域来连接到另一个节点(参见术语)。如果两个或多个结构单元共享一个节点，则在节点上的单元之间传递所有的力和矩。如果有必要限制或消除元素之间传递的特定力和/或矩，则可以通过节点到节点的链接创建和连接两个独立的节点，并设置适当的附件条件。例如，如果有必要将两根梁与球头连接起来，则可以在两个梁端节点之间添加一个节点到节点的链接，并且在所有平移和旋转方向上设置的附加条件分别是刚性的和自由的。在将元素连接到网格时，也可以应用相同的过程，但在这种情况下，必须在节点和所在区域之间建立节点到区域的链接。节点到节点和节点到区域的链接是通过结构链接命令来控制的，连接条件用结构元素链接来描述。元素创建命令(结构锚杆创建、结构梁创建等)旨在保持建模的不同物理项目之间的清晰分离。例如，如果对两个独立的桩进行建模，则发出两个独立的结构桩创建命令并指定两个独立的ID(例如，1和2)。这将导致两个节点位于相同的几何位置：一个用于桩-1；一个用于桩-2。力和力矩不会在相邻的桩单元之间传递，相反，只有力才会在共同的位置传递到周围的区域。这就像两根独立的桩一样，头对端平放着。如果需要一个单桩，那么发出两个单独的结构桩创建命令，但这次为每个命令指定相同的ID。这将导致创建一个节点，该节点由公用位置两侧的桩元素共享。力和力矩将在相邻元素之间传递。在大多数建模情况下，不应该修改元素创建命令设置的默认链接附件条件，因为这些附加条件会为每种特定元素类型产生所需的元素-网格交互。指定边界和初始条件所有边界和初始条件(除了施加于梁和桩表面的分布荷载、施加于壳体、衬砌和土工格栅表面的压力载荷以及施加于电缆的预张力)都由结构节点命令指定。节点条件包括1、速度固定条件，2、流速分量，3、施加点载荷(力和/或力矩)。 每个节点有两个坐标系统：全局系统和节点-局部系统。节点本地系统用于指定附件条件，以控制节点如何与网格交互。同时，在这些局部方向上求解运动方程。因此，人们只能在这些方向上固定或自由速度。节点本地系统的方向是根据使用节点的元素类型在一组循环的开始时自动设置的。(有关这两个系统的完整描述，请参阅结构节点命令。)在节点本地系统中，使用结构节点修复和结构节点空闲命令固定和释放节点的速度和旋转。使用结构节点初始化命令将速度和旋转初始化为全局系统中的指定值。使用结构节点Apply命令将点负载应用于全局或节点本地系统中的节点。分布式负载被应用于结构锚杆应用于单元(例如)。线性元素(梁、索或桩)可以在单元局部y和z方向施加分布荷载。平面元件(壳体、土工格栅或衬垫)可以对元件表面施加正常压力。请注意，在大应变模式下，施加的载荷保持与相应的单元系统方向一致，而系统方向可能以元素位置更改。 预张力作用于锚杆，使用结构索施加张力命令。一种正的预紧力使锚杆处于紧张状态。有关更多信息，请参见预先控制。壳内应力本节简要介绍shell行为。本节的大部分信息取自Cook等人。(1989年)。请参阅该案文，以便进行更完整的讨论。壳在空间中形成曲面。通常，与跨度相比，壳是薄的。在几何上，壳层的厚度、t和壳的中部表面形状都是描述的.。如果中间表面是平的，那么壳就叫做板.。通常，壳体同时显示弯曲应