基于ansys的洞室圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析

基于ansys的洞室圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析

1簡(jiǎn)化方法的選取地下洞穴是巖石工程中最常見(jiàn)的地下結(jié)構(gòu)物，如公路和鐵路隧道、地下車(chē)間等。在這些工程中,通常需要支護(hù)結(jié)構(gòu)。而在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),作用在支護(hù)上的荷載是設(shè)計(jì)中不可缺少的參數(shù),也就是必須要計(jì)算出圍巖壓力。然而,不同形狀的洞室的圍巖壓力的分布是不同的,所以需要用有限元方法對(duì)各種形狀的洞室做出具體分析。而巖柱法、太沙基法以及規(guī)范規(guī)定的簡(jiǎn)化方法的計(jì)算結(jié)果,體現(xiàn)不出洞室形狀對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響。因此,用有限元法去衡量一般的簡(jiǎn)化方法的不足之處是完全必要的。本文以淺埋洞室為例,通過(guò)算例,對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了較為深入的研究。2基本公式2.1根據(jù)構(gòu)造巖的角度,分為3個(gè)所示巖柱法計(jì)算松散巖體的圍巖壓力的基本思想是,由于洞室的開(kāi)挖,洞室頂部的松散巖體將產(chǎn)生很大的沉降甚至塌落,因此考慮從地面到洞室頂部的巖體自重,扣除部分摩擦阻力后,作用在洞室頂部的壓力即為圍巖壓力。作用在洞室頂部的圍巖壓力:Ρ=γΗ[1-Η2a1k1-ca1γ(1-2k2)]P=γH[1?H2a1k1?ca1γ(1?2k2)]式中k1=tg2(45°-?2)tg?k2=tg(45°-?2)tg?式中k1=tg2(45°??2)tg?k2=tg(45°??2)tg?a1=a+htg(45°-?2)(45°??2)H——開(kāi)挖洞室的埋置深度(m);a——洞室跨度的一半(m);h——洞室的高度(m);c——巖體的粘聚力(kPa);?——圍巖的摩擦角(°);γ——巖體容重(kN/m3)。洞頂(e1)和洞底(e2)的側(cè)向圍巖壓力:e1=Ρtg2(45°-?2)e2=e1+γhtg2(45°-?2)e1=Ptg2(45°??2)e2=e1+γhtg2(45°??2)2.2圍巖壓力和附加荷載太沙基圍巖壓力計(jì)算方法是比較典型的應(yīng)力傳遞法。在推導(dǎo)公式時(shí),必須分析單元體的應(yīng)力狀態(tài),并利用靜力平衡方程。作用在洞頂?shù)膰鷰r壓力:Ρ=a1γ-cλtgφ[1-exp(-λtgφa1Η)]+qexp(-λtgφa1Η)P=a1γ?cλtgφ[1?exp(?λtgφa1H)]+qexp(?λtgφa1H)作用在側(cè)壁的圍巖壓力:e1=Ρtg2(45°-?2)e2=e1+γhtg2(45°-?2)λ——巖體的側(cè)壓力系數(shù);q——作用在地面的附加荷載(kN/m2);其余參數(shù)意義同巖柱法。2.3標(biāo)準(zhǔn)方法2.3.1垂直均布?jí)毫Π此沙诤奢d考慮,其垂直均布?jí)毫砂聪率接?jì)算:q=0.45×2σ-sγω(1)式中q——垂直均布?jí)毫?kN/m2);s——圍巖類(lèi)別;γ——圍巖容重(kN/m3);ω——寬度影響系數(shù),ω=1+i(B-5);其中,B為坑道寬度(m);B≤5m時(shí),取i=0.2;B=5～15m時(shí),取i=0.1。2.3.2均布?jí)毫ι盥窈蜏\埋隧道的分界,按荷載等效高度的判定式為:Hp=(2～2.5)hqⅠ～Ⅲ類(lèi)圍巖取Hp=2.5hqⅣ～Ⅵ類(lèi)圍巖取Hp=2hq式中Hp——深淺埋隧道的分界深度;hq——荷載等效高度,hq=qγq——用式(1)算出的深埋隧道垂直均布?jí)毫?kN/m2)。淺埋隧道圍巖壓力分下述兩種情況分別計(jì)算:(1)埋深H≤hp時(shí),荷載視為均布垂直壓力q=γH側(cè)向壓力e,按均布考慮時(shí),其值為:e=γ(Η+12Ηt)tg2(45°-?2)Ht——坑道高度;其他參數(shù)意義同前。(2)當(dāng)hq<H<Hp時(shí),作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的均布荷載:q=γΗ(1-ΗBtλtgθ)Bt——坑道寬度;作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的水平側(cè)壓力為:e1=γHλe2=γhλH——洞頂至地面的距離;h——洞底至地面的距離;其他符號(hào)意義同前。3計(jì)算摩擦角公式算例1:正方形洞室,埋深H=5m,洞室邊長(zhǎng)10m。圍巖的物理參數(shù):密度ρ=2000kg/m3,彈性模量E=3GPa,泊松比μ=0.3,粘聚力c=0.1MPa,計(jì)算摩擦角φ=45°。(圖1、2)算例2:圓形洞室,埋深H=5m,洞室半徑r=5m。其他同上。(圖3、4)算例3:拱形洞室,埋深5m,洞跨10m,洞高10m,拱高2m,其他同上。(圖5、6)4數(shù)據(jù)分析4.1洞頂點(diǎn)豎向應(yīng)力的集中(1)對(duì)豎向應(yīng)力,規(guī)范法比巖柱法和太沙基法保守。規(guī)范法與巖柱法的結(jié)果接近,而比太沙基法大2倍左右。(2)用有限元法做出的結(jié)果,大部分的洞頂結(jié)點(diǎn)的豎向應(yīng)力小于三種簡(jiǎn)化方法計(jì)算的應(yīng)力。但是,接近洞室邊緣的某些點(diǎn)的豎向應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以上點(diǎn)的應(yīng)力,甚至達(dá)到5～10倍。這是因?yàn)榘l(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。(3)豎向應(yīng)力的集中現(xiàn)象以矩形洞室為最為明顯,其次為拱形和圓形洞室。矩形洞室在離洞室邊緣約1m時(shí),開(kāi)始發(fā)生應(yīng)力集中;拱形洞室在距離洞室邊緣約2m開(kāi)始發(fā)生應(yīng)力集中;而圓形洞室在離邊緣2.5m應(yīng)力開(kāi)始明顯增加。4.2模型內(nèi)側(cè)向應(yīng)力(1)三種簡(jiǎn)化方法的保守程度以太沙基法最小,而其他兩種方法差別不大。(2)用有限元法做出的結(jié)果,矩形洞室和拱形洞室的大部分洞壁結(jié)點(diǎn)的側(cè)向應(yīng)力小于三種簡(jiǎn)化方法計(jì)算的應(yīng)力。(3)矩形和拱形洞室的少部分結(jié)點(diǎn)的側(cè)向應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以上點(diǎn)的應(yīng)力,達(dá)到5～10倍,甚至更多。這是由于發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。(4)矩形洞室在距離洞頂和洞底大約1m處時(shí),開(kāi)始發(fā)生應(yīng)力集中;拱形洞室的應(yīng)力集中發(fā)生在洞底和拱腳處,但是洞底處的應(yīng)力最大值是拱腳處的應(yīng)力最大值的2倍。(5)用有限元法做出的結(jié)果,圓形洞室的大部分洞壁結(jié)點(diǎn)的側(cè)向應(yīng)力大于三種簡(jiǎn)化方法所計(jì)算出的應(yīng)力。5洞室設(shè)計(jì)時(shí)的圍巖壓力(1)不同形狀的洞室,其圍巖壓力的分布不同。(2)規(guī)范規(guī)定及傳統(tǒng)方法的簡(jiǎn)化方法,比較適