FLAC2D

1第一章FLACFLACFLACFLAC2D2D2D2D简介1.11.11.11.1、FLACFLACFLACFLAC简介FLAC是一个用于工程力学计算的二维显示有限差分程序。最早由岩土和采矿工程师开发，不过目前应用范围广泛。适用于模拟土体、岩石或其他弹塑性材料。材料可以由单元以及由网格区域代替，网格区域可形成任意形状以适应模型的要求。单元的力学行为由预先设定的线性或非线性应力/应变关系确定。FLAC采用的显式拉格朗日差分法和混合离散技术使得材料的塑性变形甚至流动破坏的模拟变得容易且精确。由于计算过程中不产生刚度矩阵，二维计算规模可变得庞大且对内存要求不高。1.21.21.21.2、FLAC-2DFLAC-2DFLAC-2DFLAC-2D主要特点界面单元能模拟特定面上的滑动和分离；(结构面、断层)平面应变、平面应力和轴对称问题；能处理流固耦合问题；结构单元可模拟多种结构形式(隧道衬砌、锚杆、桩基等)；动力问题；(地震、冲击、运动的荷载)粘弹塑性问题；温度场问题；(隧道工程冻结法)多孔介质力学问题；可基于C++编制用户自己开发的本构模型；内嵌FISH语言；操作可基于菜单式或命令行式第二章工程概况2.12.12.12.1、隧道工程概况该设计断面位于湘潭段洞口处，里程为ZK144+965，设计高程为113.31m，该断面面积207.52m，初期衬砌为25cm，二次衬砌为45cm。该地段是地质较差，围岩等级为Ⅴ级，断面设计依据《公路隧道设计规范》及AUTOCAD2004上作图得出，相关点的坐标，见后面程序流。2.22.22.22.2、FLACFLACFLACFLAC2D2D2D2D数值计算目的2利用FLAC2D软件建立模型来模拟邓家湾隧道左线洞口附近Ⅴ级围岩段以下工况：(1)自重应力平衡；(2)全断面开挖隧道，应力释放30%；(3)施做初期支护，应力释放30%；(4)施做二次衬砌，应力释放剩余的40%。根据数值计算结果分析隧道初始平衡状态、断面开挖隧道、施做初期支护和施做二次衬砌条件下围岩和支护结构的变形、受力等情况，从而判断隧道设计是否合理，并未修改设计和施工提供指导。第三章模型建立、计算参数和施工工序的确定3.13.13.13.1、模型建立建立一个模型并利用FLAC求解，需至少做以下三方面的工作：(1)有限差分网格；(2)本构模型和材料性质；(3)边界和初始条件；网格是用来定义问题的形状；本构模型和相关的材料性质是显示模型对扰动所作出的力学响应；便捷和初始条件就是定义初始状态。3.23.23.23.2、计算参数依据自身设计的隧道断面图，以及给出的Ⅴ级围岩洞口段隧道衬砌支护结构图，根据自身设计数值模型尺寸和边界条件，进行隧道开挖围岩稳定性分析和支护结构强度检算（不考虑系统锚杆）。计算参数参考表1。表1数值计算参数材料名称计算参数Ⅴ级围岩E=1.30GPaγ=22KN/m3μ=0.4c=100KPaφ=25°σt=10KPaC20喷射混凝土E=2.43e10Paμ=0.2C25钢筋混凝土E=2.95e10Paμ=0.2表中：E—弹性模量；γ—容重；μ—泊松比；c—粘结力；φ—内摩擦角；σt—岩体抗拉强度。33.33.33.33.3、施工工序施工工序可总结为：确定计算参数；材料本构模型、单元类型；施工步骤；数值计算；后处理；结果分析。而其求解流程图则可以用以下图表示：建立模型：生产网格并调整形状；设定本构关系和材料属性，设定边界条件和初始条件运行以达到平衡状态评价计算结果合理性改变计算条件：如模拟开挖；改变边界条件进行参数敏感分析4隧道开挖应力释放的方法——施加虚拟支撑力逐步释放法：第四章计算分析和结果讨论4.14.14.14.1初始平衡状态为了研究初始平衡状态的受力状态，对相关量进行了最终及图像输出。以下三图分别为：yyσ——自重y方向应力图（图4.1.1），dY——Y方向位移图（图4.1.2），Unbalanceforce(最大非平衡力)图（图4.1.3）。p-pσ2222σ-pσ3（c）-ffσ0计算开挖计算计算二次衬砌（a）（b）（d）初期支护0σfp11p-pσ1111σ-pp225图4.1.1（y方向应力云图）分析：从图4.1.1可以看，Y方向应力随着深度的增加，应力不断增大，符合太沙基理论Hγσ=,应力呈线性增加，且应力值也比较小，最表层应力为零，符合实际。图4.1.2（y方向位移云图）分析：从图中可看出在自然状态下，Y方向位移及Y方向的固结大小可知，随着深度的增加，沉降在逐渐减小，符合现实情况，它们的沉降值也都很小，到达一定深度，沉降程度接近于零。最大值为2.00E-02（m）。6图4.1.3（不平衡力图）分析：最大不平衡力随着程序计算的步数增大，最大不平衡力逐渐减小，当步数为55*210左右时，最大不平衡力已经趋近于零，也就是达到了平衡状态。结果讨论：通过三幅图的简单分析，可知该程序用于模拟岩体在初始平衡状态下的状态是符合实际的4.24.24.24.2开挖后，初期支护前状态为了研究开挖后，初期支护前状态的受力状态，对相关量进行了最终及图像输出。以下四图分别为：yyσ——Y方向应力图（图4.2.1），dY——Y方向位移图（图4.2.2），Unbalanceforce(最大非平衡力)图（图4.2.3），state——围岩状态图（图4.2.4）7图4.2.1（y方向应力云图）分析：从图4.2.1可知，Y方向应力总体而言还是符合随深度线性增加，应力最大值与图4.1.1一样大，而在开挖断面底部，由于上方土体被挖走，这部分应力被解除，故其底部Y方向应力减少，相应的其周围的应力也减少，符合实际。图4.2.2（y方向位移云图）分析：从图中在未开挖的地方，由于受到开挖的影响较小，Y方向位移（沉降）都很小其值介于-5E-04~5E-04。而在开挖区域，由于受到开挖的影响较大，其Y方向的位移较大.从图中可以看出，对于拱部顶部处，Y方向位移最大，达-1.5E-03m,,负号说明拱部受压，向下沉。而底部Y方向位移，达到1.5E-03m，说明底部因土体挤压，导致土体被挤隆起。其余受开挖影响大的部分，位移值则介于之间，符合实际。8图4.2.3（最大不平衡力）分析：该图显示了围岩从初始平衡状态到开挖后的最大不平衡力发展图，从改图知，在开挖后最大不平衡力峰值较初始平衡状态小，说明该模型在平衡状态的可适用性，而且最大不平衡力随着步数的增加，在步数到达90*210时，最大不平衡力趋于零，说明达到了平衡。图4.2.4（弹塑性区分布图）分析：从该图可以看出，未收到开挖影响的土体仍为弹性。在开挖处，底部特别是右下角处由于所受到的应力较大，而且没有作任何支护，导致出现了小范围的塑性区，是有可能的。而由于上端受到应力较小故仍为弹性区。结果讨论：通过四幅图的简单分析，可知该程序用于模拟岩体在开挖状态下是符合实际的，也是适用的。4.34.34.34.3初期支护状态为了研究初期支护的受力状态，对相关量进行了最终及图像输出。以下八图分别为：yyσ——Y方向应力图（图4.3.1），dY——Y方向位移图（图4.3.2），Unbalanceforce(最大非平衡力)图（图4.3.3），state——围岩状态图（图4.3.4），axail（轴力）——初期支护轴力图（图4.3.5），shear（剪力）——初期支护剪力图（图4.3.6），moment（弯矩）————初期支护弯矩图（图4.3.7），sdisplacemet（位移）————初期支护位移图（图4.3.8）9图4..3.1（y方向应力图）分析：从图4.3.1可知，Y方向应力总体而言还是符合随深度线性增加，应力最大值与图4.1.1一样大，而在开挖断面底部，由于上方土体被挖走，这部分应力被解除，且做了初期支护，故其底部Y方向应力很小，相应的其周围的应力由于作了初期支护，应力也相应的减少，符合实际。图4.3.2（y方向位移图）分析：从图中在未开挖的地方，由于受到开挖的影响较小，Y方向位移（沉降）都很小。而在开挖区域，由于受到开挖的影响较大，其Y方向的位移较大.从图中可以看出，对于拱部顶部和底部Y方向位移最大，最大量绝对值为5.00E-03m，但未超过规范值。拱顶顶部受压沉降，底部因土体挤压，导致土体被挤隆起。其余受开挖影响大的部分，位移值则介于之间，至于其沉降变化量相对于开挖大，10是由于初期支护为柔性支护，本身存在变形，且变化量较大。图4.3.3（最大不平衡力图）分析：该图显示了围岩从初始平衡状态到初期支护的最大不平衡力发展图，从改图知，在初期支护时最大不平衡力峰值较之前状态都大，原因是由于初期支护为柔性支护，变形量较大，且沉降变形等都还不稳定，内力分配不平衡。但最大不平衡力随着步数的增加，又逐渐减小，在步数到达12*310时，最大不平衡力趋于零，说明达到了平衡状态，说明了该模型的适用性。图4.3.4（弹塑性区分布图）分析：从该图可以看出，未收到开挖影响的土体仍为弹性。在开挖处，由于作了初期支护，本身变形较大，导致出现了范围较广的塑性区，是有可能的。11图4.3.5（初期支护轴力图）分析：通过上图，可知全断面受压，最大值为1.899E06，最大轴力位于右下角，即仰拱与边墙连接处。符合实际。图4.3.6（初期支护剪力图）分析：从上图知，全断面受剪力情况较复杂，且突变点较多，剪力较大部分多位于底部，最大剪力位于右下角，即仰拱与边墙连接处，最大值为1.66E+05。造成该现象原因可能为该处存在应力集中现象。而根据结构力学知识也可知，在相12邻梁截面，剪力是大小相等，方向相反的，该图符合此结论。图4.3.7（初期支护弯矩图）分析：从上图可知，弯矩图受力情况也比较复杂，但相对突变点较少，此有利于隧道稳定，在隧道顶部，弯矩图基本符合结构力学知识中的，图形成对称分布。而在底部由于偏压的存在，对称现象不是很明显。弯矩最大处位于右下角，即仰拱与边墙连接处，最大值为7.167E+04。图4.3.8（初期支护结构位移图）分析：整个断面由于受围压，而有向里面移动的趋势。故箭头方向指向隧道里面，最大位移处为底部，最大值为3.933E-03m。为了更好地体现初期支护下隧道断面在围压压力作用下的最大内力及相应位置，13现总结如下表2：表2内力最大数值位置轴力1.899E06仰拱与边墙连接处剪力1.66E+05仰拱与边墙连接处弯矩7.167E+04仰拱与边墙连接处结果讨论：通过八幅图的简单分析，可知该程序用于模拟岩体在初期支护状态下是符合实际的，也是适用的。4.44.44.44.4二衬后状态为了研究二次衬砌支护后的受力状态，对相关量进行了最终及图像输出。以下八图分别为：yyσ——Y方向应力图（图4.4.1），dY——Y方向位移图（图4.4.2），Unbalanceforce(最大非平衡力)图（图4.4.3），state——围岩状态图（图4.4.4），axail（轴力）——二次衬砌支护轴力图（图4.4.5），shear（剪力）——二次衬砌支护剪力图（图4.4.6），moment（弯矩）————二次衬砌支护弯矩图（图4.4.7），sdisplacemet（位移）————二次衬砌支护位移图（图4.4.8）。图4.4.1（y方向应力图）分析：从图4.4.1可知，Y方向应力总体而言还是符合随深度线性增加，应力最大值与图4.1.1一样大，而在开挖断面底部，由于上方土体被挖走，这部分应力被解除，且做了初期支护后又作了二次衬砌，故其底部Y方向应力很小，基本上接近于零，说明二衬加上去，起了作用。14图4.4.2（y方向位移图）分析：在未开挖的地方，由于受到开挖的影响较小，Y方向位移（沉降）都很小。而在开挖区域，由于受到开挖的影响较大，其Y方向的位移较大.从图中可以看出，对于拱部顶部和底部Y方向位移最大，最大量绝对值为4.00E-03m，但未超过规范值。拱顶顶部受压沉降，底部因土体挤压，导致土体被挤隆起。其余受开挖影响大的部分，位移值则介于之间，但其沉降变化量明显减小，是由于二次衬砌支护是在初期支护变形稳定之后在施作的。图4.4.3（最大不平衡力）分析：该图显示了