巷道ANSYS计算分析

1、1 工程概况 本次研究的是某矿北大巷的开挖围岩稳定性和支护效果。北大巷位于三煤的底板岩层中，其标高为850m ，垂直地应力约为20MPa，巷道为直墙半圆拱型形状，净宽4.22m，净高3.38m。由于地应力高，故采用锚喷反底拱、锚注复合支护方案加固巷道，具体的巷道尺寸与支护措施如图1。图1 巷道锚喷反底拱、锚注复合支护方案 2 北大巷围岩结构力学模型 巷道支护模拟分析最主要问题有三个：一是本构模型和参数；二是边界条件；三是模拟开挖和支护过程。2.1数值计算模型的特点 （1）巷道问题符合平面应变问题，本次数值计算均作为平面应变问题来处理。 （2）为消除边界效应，各模型取足够大的尺寸，巷道处于模型的

2、中心。 （3）根据实际经验和采矿理论，在模型的左右边界设为应力边界条件，模型下边界设为垂直位移约束，上边界自由加载，载荷大小为覆岩的自重。 （4）模型岩层的划分与实际地层基本一致，较薄岩层合并处理。 （5）合理选择计算参数和本构模型。2.2本构模型及力学参数选取 （1）本构模型的选取岩石材料本构关系的描述，国内外有很多种，每一种本构模型都有其优缺点，这里采用目前应用最广泛、最适宜于岩土材料的Dracker-Prager屈服准则。该屈服准则对Mohr-Coulomb准则给予近似，以此来修正Von·Mises屈服准则，即在Von·Mises表达式中包含一个附加项。其流动准则可以

3、使用相关流动准则，也可使用不相关流动准则，其屈服面不随材料的逐渐屈服而改变，同时考虑了由于屈服而引起的体积膨胀，因此适用于岩土、混凝土和土壤等颗粒状材料。Drucker-Prager在1952年提出式： (1)其中，I1为考虑平均应力的应力第一不变量 J2为应力偏张量第二不变量 、k为材料参数。在数值计算中，DP材料需要输入的参数有E、C、，其确定方法如下： （2） （3） 上式中的和可由单轴受压屈服应力和受拉屈服应力计算得来， （4） （5）因此，如果有单轴受拉屈服应力和单轴受压屈服应力就可以计算出程序需要的输入值。另外，代表膨胀角，它用来控制体积膨胀的大小，对压实的颗粒状材料，当材料受剪时

4、，颗粒将会膨胀，如果膨胀角为0，则不会发生体积膨胀，如果=，在材料中将会发生严重的体积膨胀，一般来说，=0是一种保守方法。 （2）力学参数的选取力学参数的选取直接关系着是否能得到正确的计算结果，根据以往位移反分析的成果，弹性模量可由实验室测试值乘以一合适的折减系数得到，其余的力学参数可以查阅岩石力学参数手册，并结合实践经验类比确定。2.3 计算模型的建立（1）计算范围的选择 巷道的计算范围要适当，边界长度一般按巷道直径的3-5倍选取，这样可消除边界效应的影响。本次巷道选取一个30m×30m的正方形区域，巷道位于模型的正中央。（2）边界条件和计算参数在自重应力条件下，对边界条件作如下规

5、定：对底边约束垂直方向位移，对左右两侧边界施加水平方向约束，在模型的顶部施加垂直地应力。本次计算的巷道的计算参数见表1。表1计算参数表材料类型容重（KN/m3）变模E（Gpa）粘聚力C（Mpa）摩擦角（）泊松比岩体23.080.8330.25喷层25.0281.4450.22注浆加固岩体23.0151.2400.25反底拱25.0302500.222.4模拟计算过程 开挖和支护按下列步骤进行： （1）未开挖时的初始计算 模型建立完毕后，施加边界条件，令所有的支护单元处于死亡状态，计算初始应力场和初始位移场。 （2）开挖与支护计算 在外载不改变的情况下，令本次开挖单元休眠，支护单元（锚杆）激活，

6、然后进行计算，分别模拟单纯用锚杆支护和锚注联合支护的效果，通过本次计算，得到本次开挖的计算结果，即第一次开挖支护后围岩的应力场和位移场。和表示开挖过程中的应力和变形结果，在实际应用中，常认为初始位移场为零位移场，即经常关心的是在原始状态下的扰动位移。（3）绘制相应的应力和变形图，并分析计算结果。3 ANSYS 数值分析3.1软件介绍 目前，用于结构分析及岩土工程数值计算的软件很多，根据研究问题的特点和要求，本次选用美国Ansys公司的Ansys数值分析软件。 Ansys软件是美国Ansys公司开发的有限元商业软件，该程序是一个功能强大灵活的设计分析及优化软件包，可在大多数计算机的操作系统上运行

7、，可以用于结构力学分析、热分析、流体力学分析和耦合场分析等多个领域，在结构力学分析方面，可用于静力分析，可以考虑结构的线性和非线性行为，如大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等，非常适合应用于岩土工程数值计算。3.2开挖与支护的模拟方法 开挖及支护过程采用指定休眠单元/活单元（Death/Birth）方法来实现，这种方法广泛适用于岩土工程的开挖、矿层开采、隧道开挖建桥系列装配等计算中，在计算过程中，若要模拟工程的开挖，则预先将开挖区剖分成一组单元，当在该计算区要开挖时，可杀死这部分单元（Death）来实现开挖效果，所谓杀死单元，程序并不是真正移走“死”单元，相反，程序通过一个很小的

8、因子乘以它们的刚度，此因子的缺省值为10-6，在荷载矢量中，和这些“死”单元相联系的单元荷载也被设置为零，单元的应变也被设置为零，这样处理相当于忽略了开挖部分单元的作用，较好地仿真了实际开挖过程。与此相似，单元的激活（Birth）是与开挖相反的一种功能，它能使原来休眠的单元复活，亦即原有起作用的单元恢复作用，在模拟锚杆和喷层的支护作用时，可以事先设好锚杆和喷层单元，但让其休眠，即不发挥作用，当需要进行锚杆支护时，激活这部分单元，使其发挥作用，从而达到支护的目的。单元激活功能可以很好地模拟岩土工程中的支护施工。3.3 ANSYS分析步骤ANSYS计算分析分为5个步骤：建立模型、定义单元类型和单元

9、属性、划分网格、定义边界条件、求解计算及计算结果分析。计算时先计算初始地应力场，然后再依次计算巷道的开挖和支护。（1）建立模型打开ANSYS，在前处理中建立模型，Preprocessor->Modeling->Create->Keypoints->In Active CS,如图：在对话框中以此输入关键点的号码，X,Y,Z的坐标值，然后点击APPLY，再输入下一个关键点的号码和坐标，直到所有的关键点全部输入后点击OK。Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Lines->Straight Line,画直线

10、。依次将关键点用直线连接起来。Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Lines->Arcs,画圆弧。可以通过3个关键点画弧，也可通过两端的关键点和半径画弧，通过中心和半径画弧和整圆命令画圆弧，如图：通过线生成面，Preprocessor->Modeling->Create->Areas->Arbitrary->By Lines。（2）定义单元类型和单元属性 定义单元类型Preprocessor->element type-> add/edit/delete, 定义单元类型。在对话框中

11、选择add添加单元类型，选择单元类型solid，quad 4node 42,即4节点的平面单元。添加平面单元Plane 42后，点击Options，在对话框中为平面单元定义坐标系统和平面应力、平面应变、轴对称等分析类型。由于巷道是平面应变问题，因此我们选择Plane Strain项。如果模拟锚杆支护，可以在单元类型中添加Link 2D Spar 1 单元类型，用来模拟平面锚杆单元。Preprocessor->Real Constants->Add/Edit/Delete,添加实常数。在对话框中可以输入link单元的截面积和初始应变。 定义单元属性Preprocessor->

12、Material Props-> Material Models，点击后将出现定义材料属性对话框，可以添加材料号，Structure->Liner->Elastic->Isotropic,在对话框中输入弹性模量和泊松比的值。Structure->Density，在对话框中输入材料的密度值。Structure->Nonliner->Inelastic->Non-Metal Plasticity->Drucker-Prager在对话框中输入材料的粘聚力和内摩擦角的值。（3）划分单元Preprocessor->Meshing->Mes

13、h Tool，在弹出的Mesh Tool 中可以定义要划分面的类型。可以选择材料号，单元划分的类型等等。在Mesh Tool 中可以控制线段、面及体的划分段数或单元大小，这样可以控制单元大小的渐变，在划分网格时要注意使网格呈放射状，即越靠近巷道网格越密，在模型边界处网格较稀疏，这样可以在不降低计算精度的情况下大大缩短计算时间。划分网格时要尽可能的使用Mapped即映射方法划分，这样划分的网格规整。Preprocessor->Modeling->Reflect->Areas将划分好网格的模型的一半在Y-Z平面对称，就形成完整的计算模型。（4）定义边界条件边界条件分为位移边界条件

14、和荷载边界条件。Solution->Define Loads->Apply->Structural->Displacement->On Lines施加位移边界条件。Solution->Define Loads->Apply->Structural->Pressure->On Lines施加荷载边界条件。Solution->Define Loads->Apply->Structural->Inertia->Gravity,在对话框中输入重力加速度。（5）求解计算初始计算前先定义计算分析的类型，Solutio

15、n->Analysis Type->New Analysis,在对话框中选择Static即静态分析。Solution->Analysis Type->Soln Controls,在弹出的对话框中可以控制计算功能，比如可以选择大应变分析，可以控制计算时间，选择计算结果，选择方程求解器，非线性控制，还有高级控制功能。确认求解信息后，然后点击Solution->Solve->Current LS,点击OK进行计算。计算时ANSYS会显示计算收敛的曲线，计算完成后会弹出Solution is done!信息。如果计算不收敛，ANSYS会给出错误信息，以便用户查找原因

16、并改正。图2 开挖的巷道初始应力场计算完成后，要进行隧道开挖计算。Solution->Analysis Type->Restart即可使程序接着第一步继续计算。然后选择要开挖的巷道单元，如图2。在命令窗口中输入：ekill，all，然后回车，即将巷道开挖，右图为开挖的巷道单元。如果要添加锚杆单元，可以Preprocessor->Modeling->Create->Element->Elem Attribute，为锚杆单元选择单元属性，然后Preprocessor->Modeling->Create->Elements->Auto Nu

17、mbered->Thru Nodes。由平面单元的节点生成锚杆单元。开挖巷道后要施加锚杆支护和喷层支护，也要采用混凝土反底拱支护，喷层支护和混凝土反底拱支护采用改变单元参数的方法来实现。即选中喷层单元，然后将单元的属性改变为喷层的力学参数。（6）计算结果分析计算以北大巷为例，本次数值计算的目的是：模拟北大巷开挖后，在锚喷、锚注以及反底拱复合支护条件下围岩的应力和变形特征。计算完成后ANSYS可以绘制应力云图、位移云图、位移矢量图和塑性区图。下面分别给出了部分计算结果图：图3图6，分别为北大巷在单纯锚喷支护条件下的水平应力、垂应力、剪应力和塑性应变图。由应力图可以看出，在巷道周边，水平应力

18、和垂向应力均有拉应力出现，但范围不大，最大水平拉应力为7.6MPa，最大水平压应力为23.5MPa，最大垂向拉应力为0.8MPa，最大垂直压应力为35.5MPa，剪应力的最大值10.9MPa，围岩在一定深度内产生塑性应变。顶板下沉、底臌和两帮移近量有限元计算结果：最大底臌量为14.3cm，顶板下沉量为19.5cm，顶底板移近量为33.8cm，两帮移近量为2.6cm。这个变形量，是巷道开挖支护变形稳定后的最终变形值。图4 锚喷条件下的巷道围岩垂向应力分布图3 锚喷条件下的巷道围岩水平应力分布图6 锚喷条件下的巷道围岩塑性区分图5 锚喷条件下的巷道围岩剪切应力分布图7图10，分别为北大巷在“锚喷+锚注”支护条件下的水平应力、垂应力、剪应力和塑性应变图。由应力图可以看出，在巷道周边，水平应力和垂向应力均有拉应力出现，但范围不大，最大水平拉应力为6.9MPa，最大水平压应力为24.5MPa，最大垂向拉应力为1.77MPa，最大垂直压应力为46.9MPa，剪应力的最大值15.6MPa，围岩在一定深度内产生塑性应变。顶板下沉、底臌和两帮移近量有限元计算结果：最大底臌量为