FLAC3D在隧道开挖支护中的应用4页

1、FLAC3D3.0在某隧道工程开挖支护中的应用 phonixs(|1v;c(o.C%P8J E3K3x!PSimWe仿真论坛FLAC3D计算优势:b:;U:,a)B&V仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,FluentFLAC3D (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 discretiza

2、tion)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”

3、，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。0F,W4N(u/p) M)U/n|S|仿真|设计|有限元|虚拟仪器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

4、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。!W3T4!J+F|S|仿真|设计|有限元|虚拟仪器某隧道建立的三维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

5、强风化钠长石英片岩中风化钠长石英片岩2Z8D)t t2N0H!h SimWe仿真论坛弹性模量（Gpa）0.60.83u/n#K5H$g)H-a#ISimWe仿真论坛泊松比()0.270.26#I#d!U o8t0E1e2j0SimWe仿真论坛密度（Kg/m3）230023000r(p(M4u*?8Z5q仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent剪切强度（MPa）0.41.0o8?#X)n:S内摩擦角（）30352X$x%F;o&R0;D+V,TOSimWe仿真论坛内聚力强度（M

6、Pa）1.82.6*;VI1m(z4C)N)$U(C5sSimWe仿真论坛抗拉强度（MPa）0.81.0+/B m&u9g%oY O8E;LSimWe仿真论坛另外由于中文在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 onset logfile yang.loggen zon radcyl p0 0 0 0 p1 9.0 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 8 &-U1h3?.71g1U|S|仿真|设计|有限元|虚拟仪器 size 4 20 6 4 dim 6 5 6 5 rat 1 1 1 1 group

7、 围岩gen zon cshell p0 0 0 0 p1 6.0 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 5.0 &x6y#b1|1u|S|仿真|设计|有限元|虚拟仪器 size 4 20 6 4 dim 5.6 4.6 5.6 4.6 rat 1 1 1 1 group 初期支护gen zon cshell p0 0 0 0 p1 5.6 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 4.6 & size 4 20 6 4 dim 5.0 4.0 5.0 4.0 rat 1 1 1 1 group 二次衬砌 fill group 原岩7N B8c3n*h4S|S|仿真|设计|有限元|虚拟仪器

8、gen zon radcyl p0 0 0 0 p1 0 0 -8.0 p2 0 50 0 p3 9.0 0 0 & size 4 20 6 4 dim 3 6 3 6 rat 1 1 1 1 group 围岩2gen zon cshell p0 0 0 0 p1 0 0 -3.0 p2 0 50 0 p3 6.0 0 0 &7o$q$m4W)_k(j6X size 4 20 6 4 dim 2.6 5.6 2.6 5.6 rat 1 1 1 1 group 仰拱初期支护M)R(y0h2v:V|S|仿真|设计|有限元|虚拟仪器gen zon cshell p0 0 0 0 p1 0 0 -2.

9、6 p2 0 50 0 p3 5.6 0 0 &;-q3m%D1a0fx size 4 20 6 4 dim 2 5 2 5 rat 1 1 1 1 group 仰拱二次衬砌 fill group 仰拱原岩gen zone reflect normal -1 0 0gen zone radtun p0 0 0 0 p1 45 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 20 &*B11j)V-z2g(x仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent size 3 20 3 12dim

10、 9 8 9 8 rat 1 1 1 1.1 group 围岩3gen zon reflect dip 0 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z 8 20gen zon reflect dip 0 ori 0 0 0 range x 9 45 y 0 50 z 0 20 gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z 8 20gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z -8 -20)o&J-f.q2l,Z(r)h/f*g

11、,O仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent,CFD,CAE,CAD,CAMgen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 9 45 y 0 50 z -20 20gen zon brick p0 -45 0 -20 p1 -45 0 -40 p2 -45 50 -20 p3 45 0 -20 & size 5 20 6rat 1.1 1 1 group 围岩4!l8m*tX4z7q+Ks|S|仿真|设计|有限元|虚拟仪器sav

12、e tun_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-coulomb modelmodel mohdef derive&C 6P/v-Hs_mod1=E_mod1/(2.0*(1.0+p_ratio1)+y.G6Q+K;z$O(Ik2R(K仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent,CFD,CAE,CAD,CAMb_mod1=E_mod1/(3.0*(1.0-2.0*p_ratio1)s_mod2=E_mod2/(

13、2.0*(1.0+p_ratio2):j.g3y(d&F/k/U4n F/z7NSimWe仿真论坛b_mod2=E_mod2/(3.0*(1.0-2.0*p_ratio2)/%k9UY0H4R)endsetE_mod1=0.6e9 p_ratio1=0.27 E_mod2=0.8e9 p_ratio2=0.26deriveprop bulk b_mod1 shear s_mod1 cohe 1.8e6 tens 0.8e6 fric 30 range z 4.5 +w,U!_/t7prop bulk b_mod2 shear s_mod2 cohe 2.8e6 tens 1.0e6 fric

14、35 range z-40 4.58M;o;M.iI,o.Z8|S|仿真|设计|有限元|虚拟仪器ini dens=2300g#w#%y3s4O5m仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent,CFD,CAE,CAD,CAMset grav 0 0 -10-k:h z)?4p$j$U仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent,CFD,CAE,CAD,CAM; bou

15、ndary and initial conditionsapply szz -1.4e6 range z 19.9 20.1&O&6*H7;Sfix z range z -40.1 -39.13$N F%S!X仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent,CFD,CAE,CAD,CAMfix x range x -45.1 -44.9-v*y7b.I2s;仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEM

16、LAB,Matlab,Fluentfix x range x 44.9 45.1fix y range y 49.9 50.1hist unbalx/n#B$(?7k/I(d,PSimWe仿真论坛hist gp xdis 6.0,0,0hist gp zdis 0,0,5m8g)A8 R/b+L*I:s$X/J|S|仿真|设计|有限元|虚拟仪器hist gp xdis 6.0,50,09E&z7X6e61y9d#X仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent,CFD,CAE,CA

17、D,CAMhist gp zdis 0,50,5/a.u1F6G!p-h,DSimWe仿真论坛plot hist 3,J&y+s3q,D仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent,CFD,CAE,CAD,CAMsolve0Q4$o*E.j仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluentsave tun_nature.sav+(b.GY2|%z仿真分析,有限元,模拟,计

18、算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent,CFD,CAE,CAD,CAM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4I5W9R.M(_2r*ISimWe仿真论坛ini xdis=0 ydis=0 zdis=0plot re1X;F6W,k;8T9%M6T5.Pmodel null range group 原岩 (X g:?4E8O#H.v9r|S|仿真

19、|设计|有限元|虚拟仪器model null range group 二次衬砌e.l0p4M(w2F.SimWe仿真论坛model null range group 初期支护set large1q)F)W9SE+m!b c仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent,CFD,CAE,CAD,CAMhist unbalplot hist 3solvesave 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：9n-c.B/j;f9r1LnSimWe

20、仿真论坛restore tun_nature.savini xdis=0 ydis=0 zdis=0plot remodel null range group 初期支护model null range group 二次衬砌_+n(:W2f8D!N仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent,CFD,CAE,CAD,CAMmodel null range group 原岩!E)u.Y,l;v%t$Y:N0FSimWe仿真论坛step 100hist unbalplot hist 3

21、model range group 初期支护z/j)T,|*I5R;q仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSOL,FEMLAB,Matlab,Fluent,CFD,CAE,CAD,CAMprop bulk 1.33e9 shear 0.8e9cohe 2.2e6 tens 1.2e6 fric 32range z 4.5 7.0 x -7.0 7.0prop bulk 10.9e9 shear 8.9e9 dens 2500 range group 初期支护set large92P p8u&K1f:i(t&Gsolvesave 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。:M/r $+n/s仿真分析,有限元,模拟,计算,力学,航空,航天,ANSYS,MSC,ABAQUS,ALGOR,Adina,COMSO