基于ZFsim软件的分步开挖与支护施工过程模拟_结构基础_断裂_非线性_流-固&热耦合_核能_电子_油气_道桥_岩土

基于ZFsim软件的分步开挖与支护施工过程模拟

10月前浏览1894

一、算例描述

1、问题描述

修建地下工程必然要进行岩土体开挖和采用工程支护措施来维护结构的稳定、安全。岩土体开挖将使其周围岩土体去原有的平衡状态，如果周围岩土体新应力场中的应力没有超过岩土体本身的承载能力，岩土体将会自行平衡；否则，周围岩土体将可能产生破坏失稳，就需要构筑承力结构或者支护结构，如锚杆、锚索、喷锚、衬砌、回填、灌浆等等，进行人工稳定。

地下工程开挖引起围岩应力重分布，出现应力状态改变和高应力集中，产生向开挖空间的位移甚至破裂，并在围岩与支护结构的接触过程中，形成对支护的荷载作用。所以，确定岩土体地下工程结构的荷载问题是一个复杂的问题，它不仅涉及到地下岩土体条件包括地应力的确定问题，开挖影响问题，甚至还受到支护结构本身的刚度等性质的影响。这和作用在地面结构上的外荷载是不同的。要模拟复杂的地下工程的施工过程，考虑各种开挖方案和支护措施等因素，优化工程建设方案，数值模拟拥有无与伦比的优势。

本算例说明在ZFsim中如何模拟分步骤开挖和锚杆支护的施工过程，考虑自重应力场作为原始地应力场，岩体介质采用弹塑性力学模型，分析开挖和支护引起的围岩变形和应力重分布。同时说明如何给出用户关心的几个结果的方法。

2、几何模型

地下洞室模型及分层开挖支护设计

开挖1.png

地下洞室模型如上图所示，将三维问题沿洞室长度方向上简化为二维的平面应变问题来分析。

计算模型岩体范围135m×150m，洞室位于模型正中央，埋深52.7m，洞室断面尺寸为15m×54.3m。地表面无其它荷载作用。

洞室分三步开挖，第一步开挖高度19.3m，第二步开挖高度20m，第三步开挖高度15m，第一步开挖结束后及时在底板上部2m位置左右侧墙施加一排锚杆，锚杆长8m。在第二步开挖结束后同样在底板上部2m位置左右侧墙各打一排同样长度的锚杆。

3、数学物理模型（方程）

塑性屈服准则

应力屈服函数取非线性等向强化的Drucker-Prager函数：

开挖2.png

c，f，分别为材料的内聚力、内摩擦系数。

4、材料（性质）参数

岩体为弹塑性材料：

参数取值：弹性模量E＝2.0×1010N/m2、泊松比ν＝0.2、容重fx＝0，fy＝－2600 N/m3（即fy＝ρg），内聚力c＝1.8×10e6N/m2、内摩擦系数f＝1.5、屈服面强化系数取1.0。

锚杆为线弹性材料：

弹性模量E＝2.0×10e11N/m2、锚杆截面积A＝0.0005m2。无预应力。

5、边值（约束）条件

边界条件

开挖5.png

如上图所示，模型外边界底部固定，侧边约束水平向，垂直向可自由变形。顶部自由。

只有材料的自重。

6、初值条件

位移初始值取为0。

7、加载条件

材料自重一次全量加载。

采用施工步，共设计4个施工步（4次加载）：

第1施工步：模拟原始自重地应力场；

第2施工步：洞室上层岩体开挖，上部锚杆支护；

第3施工步：洞室中部岩体开挖，下部锚杆支护；

第4施工步：洞室底层岩体开挖。

二、计算分析

1、模型网格

开挖6.png

模型网格

2、求解器的选取

Nin求解器，非对称内存直接法求解器。

3、迭代收敛条件

位移迭代收敛条件：开挖7.png

α取开挖8.png 。

4、时间控制参数

总计算4步（4个施工步骤）。

5、结果后处理

施工（开挖和锚杆支护）引起围岩应力重分布。

位移结果：

开挖9.png

（第2施工步结束）洞室上层开挖后扰动位移云纹图（单位：米）

开挖10.png

（第3施工步结束）洞室中层开挖后扰动位移矢量图（单位：米）

开挖11.png

（第4施工步结束）洞室底层开挖后扰动位移矢量图（单位：米）

变形对照.png

（第4施工步结束）洞室底层开挖后变形对照图（红色线表示变形前，黑色线为变形后）

应力结果：

开挖13.png

（第2施工步结束）洞室上层开挖后第一主应力云纹图（单位：帕）

剪应力.png

（第2施工步结束）洞室上层开挖后剪应力云纹图（单位：帕）

开挖14.png

（第4施工步结束）洞室全部开挖后第一主应力云纹图（单位：帕）

第二主应力.png

（第4施工步结束）洞室全部开挖后第二主应力云纹图（单位：帕）

开挖15.png

（第4施工步结束）洞室全部开挖后剪应力云纹图（单位：帕）

开挖16.png

（第4施工步结束）洞室全部开挖后主应力矢量图

三、小结

1、算例评价（结果定性、定量、技术特点、问题背景、适用行业及问题）

稳定性问题是岩土体地下工程的一个重要研究内容，关系到工程施工的安全性及其运行期间满足工程截面大小和安全可靠的要求。开挖和支护过程均会对围岩稳定性产生较大影响。

与大型物理模型试验和现场试验相比，数值方法具有快速、便捷、费用低，可以模拟岩土体材料和构造的各种特性以及复杂的施工过程和边界条件，易于改变参数、重复计算筛选方案等特点，成为地下工程分析中的重要的工具。

本算例对于开挖和锚杆支护的施工过程进行了模拟计算，程序具有一定的通用性，所采用的方法和程序可以推广应用于其它形式的开挖和支护措施中，例如锚索、喷锚、衬砌、回填、灌浆加固等等的计算。

2、本算例中采用的方法有：

·死活单元法

·开挖功能实现

·支护功能实现

·自重地应力场模拟

·多结果输出

·Drucker-Prager非线性等向强化弹塑性模型

·增量的全量法

·施工过程设计与信息控制

·开挖与支护变网格结果查看方法

·坐标变换

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