隧道工程flac-2d課程作業(yè)答案期末復(fù)習(xí)題及答案

一、FLAC2D簡介

FLAG是一個用于工程力學(xué)計算的二維顯示有限差分程序。最早由

巖土和采礦工程師開發(fā)，不過目前應(yīng)用范圍廣泛。適用于模擬土體、

巖石或其他彈塑性材料。材料可以由單元以及由網(wǎng)格區(qū)域代替，網(wǎng)格

區(qū)域可形成任意形狀以適應(yīng)模型的要求。

單元的力學(xué)行為由預(yù)先設(shè)定的線性或非線性應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系確定。

FLAC采用的顯式拉格朗日差分法和混合離散技術(shù)使得材料的塑性變形

甚至流動破壞的模擬變得容易且精確。由于計算過程中不產(chǎn)生剛度矩

陣，二維計算規(guī)模可變得龐大且對內(nèi)存要求不高。

1.1FLAC的特點f

(1)界面單套能模擬特定面上的滑動和分離；(結(jié)構(gòu)面、斷層)

(2)平面應(yīng)變、平面應(yīng)力和軸對稱問題；

(3)能處理流固耦合問題；

(4)結(jié)構(gòu)單元可模擬多種結(jié)構(gòu)形式(如隧道襯砌、錨桿、樁基等)；

(5)動力問題：(地震、沖擊、運動的荷載)

(6)粘彈塑性問題；

1.2FLAC2D優(yōu)劣勢:

與有限單元法的對比：

優(yōu)勢：

(1)混合離散技術(shù)更適應(yīng)于模擬塑性變形和塑性破壞：

(2)計算過程中引入運動方程，使得數(shù)值計算的穩(wěn)定性增強；

(3)顯式的求解方式使得模擬非線性問題更加高效；

(4)對本構(gòu)模型的適應(yīng)性強，而有限元方法對不同本構(gòu)模型須采取

的不同求解方式；

(5)網(wǎng)格以行、列的方式排列更有利于數(shù)據(jù)提取利分析；

劣勢：

(1)對于線性問題的模擬相比有限元方法稍慢：

(2)求解速度與模型的最大和最小周期之比成正比，對于特定問題

的求解效率低。

二、工程概況

依據(jù)圖1給出的V級圍巖洞口段隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)圖，參考圖2

中示意的數(shù)值模型尺寸和邊界條件，進行隧道開挖圍巖穩(wěn)定性分析和

支護結(jié)構(gòu)強度檢算（不考慮系統(tǒng)錨桿）：

圖1V級圍巖洞口段隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)圖

100m

圖2數(shù)值模型尺寸和邊界條件

2.1計算工況（推薦）：

⑴自重應(yīng)力平衡；

⑵全斷面開挖隧道，應(yīng)力釋放30樂計算平衡；

⑶施做初期支護，應(yīng)力釋放30%,計算平衡；

⑷施做二次襯砌，應(yīng)力釋放剩余的40%,計算平衡。

2.2計算參數(shù)可參考（但不限于）表1。

表1數(shù)值計算參數(shù)

材料名稱計算參數(shù)

E=L30GPay=22KN/m3u=0.4c=100KPa

V級圍巖

“25°ot=10KPa

C20噴射混凝土E=2.43elOPau=0.2

C25鋼筋混凝土E=2.95elOPaR=0.2

表中：E—?彈性模量；丫一容重；口一泊松比；c—粘結(jié)力；。一內(nèi)摩

擦角；葭一巖體抗拉強度。

說明：隧道采用新奧法施工，其中V級圍巖段采用全斷面開挖施工方

法，預(yù)留變形量13cm。

三、初步模型建立與數(shù)值計算

3.1模型建立

根據(jù)工程要求在AUTOCAD中根據(jù)一定的模型關(guān)系畫出模型簡圖（圖

3-1-1）并記錄得到各控制點的坐標(biāo)記錄如下表

表3-1-1橫截面控制點坐標(biāo)

控制點X坐標(biāo)Y坐標(biāo)

A4.93840.78217

B-4.93840.78217

C-4.5104-2.7544

D4.5104-2.7544

000

01-1.4815-0.2347

021.4815-0.2347

03()15.1791

圖3-1-1隧道橫截面模型簡圖

（03的坐標(biāo)由于圖幅的限制圖沒顯示）

根據(jù)以上坐標(biāo)及洞口附近V級圍巖段地形，選取其中一個隧道斷

面建立數(shù)值計算模型，本計算建立的數(shù)值模型，在FLAC2D中劃分

100X80個單元網(wǎng)格，具體模型如圖所示：

圖3,1.1隧道及其周圍巖體的截面圖

3.2計算參數(shù)

根據(jù)隧道圍巖勘察測量情況和支護結(jié)構(gòu)設(shè)計材料特性，本計算采用

的參數(shù)具體見表3-2-L

表3-2-1數(shù)值計算參數(shù)

材料名稱計算參數(shù)

E=l.30GPa丫=22KN/m3H=0.4c=lOOKPa

V級圍巖

4)=25°0t=10KPa

C20噴射混凝

E=2.43elOPaP=0.2

土

C25鋼筋混凝

E=2.95elOPau=0.2

土

表中：E一彈性模二量；丫一容重;口一泊松比；c—粘結(jié)力；小一內(nèi)

摩擦角；。t—巖體抗拉強度。

初期支護C20噴射混凝土厚度25cm,二次襯砌C25鋼筋混凝土厚度

45cm。

3.3施工工序

隧道采用新奧法施工中的全斷面開挖施工方法，具體施工工序：

①全斷面開挖隧道；

②施做初期支護；

③施做二次襯砌；

四、應(yīng)力變形模型建立與計算分析

4.1自重應(yīng)力平衡

利用FLAG2D模擬計算計算范圍內(nèi)山體在隧道開挖前在自重作用下的應(yīng)

力平衡。數(shù)值計算結(jié)果如下：

圖4-卜1自重應(yīng)力平衡豎向應(yīng)力分布

圖4-1-2自重應(yīng)力平衡水平位移分布

圖4T-3自重應(yīng)力平衡應(yīng)力分布

圖4T-4自重應(yīng)力平衡豎向位移分布

4.2全斷面開挖隧道的后平衡計算，考慮應(yīng)力釋放30%,數(shù)值計算結(jié)果

如下圖：

圖4-2-1全斷面開挖應(yīng)力釋放30%不平衡應(yīng)力分布

圖4-2-2全斷面開挖應(yīng)力釋放30%豎向位移分布

圖4-2-4全斷面開挖應(yīng)力釋放30%水平方向位移分布

4.3施做初期支護的平衡計算（考慮應(yīng)力釋放30%）數(shù)值計算如下圖:

圖4-3-2初襯應(yīng)力釋放30%豎向不平衡力分布圖

■

圖4-3-4初襯應(yīng)力釋放30%豎向應(yīng)力云

圖4-3-6初襯應(yīng)力釋放30%彎矩分布圖

圖4-3-7初襯應(yīng)力釋放30%軸力分布圖

4.4施做二次襯砌的平衡計算（考慮應(yīng)力釋放30%）數(shù)值計算如下圖,

圖4-4-1二襯應(yīng)力全部釋放剪力分布圖

圖4-4-2二襯應(yīng)力全部釋放豎向位移云圖

圖4-4-3二襯應(yīng)力全部釋放豎向應(yīng)力云圖

圖4-4-4二襯應(yīng)力全部釋放水平方向位移分布圖

圖4-4-5二襯應(yīng)力全部釋放彎矩分布圖

圖4-4-7二襯應(yīng)力全部釋放不平衡力分布圖

4.5各階段計算分析

(1)對應(yīng)力的分析；從自重應(yīng)力平衡的圖4-1-4可以看出看出地

表豎向位移最大，隨著深度的增加，豎向位移不斷減小，符合實際情

況，開挖應(yīng)力釋放30%后圖4-2-3的豎向位移分布圖可以看出應(yīng)力在隧

道的斷面邊緣比較集中，但是總體任然是隨深度增加，當(dāng)再次釋放30%

時圖4-3-4,應(yīng)力的變化不是那么明顯，最后加二次襯砌后圖4-4-4,

應(yīng)力在隧道邊緣集中的現(xiàn)象更加明顯，這與實際情況是相符合的。

(2)對位移的分析：開挖后從豎向位移分布圖看出圖4-2-2,上

部下沉，下部溶蝕，水平方向的位移不明顯圖4-2-4o當(dāng)施做初期支護

可以觀察到豎向的位移發(fā)生明顯的變化，且偏于地基有開挖那方，水

平方向的位移仍然沒有很明顯的變化，當(dāng)施做二次襯砌后豎向隧道基

本可以與外巖體達到平衡見圖4-4-4,水平方向變化不明顯。

(3)對軸力、彎矩、剪力的分析：將初襯和二襯后得到的三者最

大值及發(fā)生位置整理如下表：

支護類型內(nèi)力最大值發(fā)生位置

軸力489.8KN兩側(cè)邊墻處

初襯剪力75.9KN右側(cè)仰拱與邊墻連接處

彎矩-24.69KN?M右側(cè)仰拱與邊墻連接處

軸力795.0KN兩側(cè)邊墻處

二襯剪力78.9KN拱部右上角

彎矩-47.8KN?M拱部右上角

初襯后軸力出現(xiàn)上拱大，下部小，在右下角出現(xiàn)較大的變化，剪力左

側(cè)出現(xiàn)了最大值，其彎矩在兩曲線交點處是最大，這與模型的建立中

交點處沒進行導(dǎo)致應(yīng)力在此集中有關(guān)，二襯后軸力有了明顯的增大，

且分布比較均勻說明二襯達到了平橫外巖體力作用，但是彎矩的變化

曲線還是比較尖銳，這也是與連接點沒平滑處理有關(guān)，此時剪力的分

布已經(jīng)趨于平緩，說明下部結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。

(4)其它參考因數(shù)的分析：

L最大不平衡應(yīng)力；圖4-3-2初襯應(yīng)力全部釋放不平衡力分

布圖到圖4-4-9襯應(yīng)力全部釋放不平衡力分布圖可以看出。隨計算的

進行，最大不平衡力的大小逐漸的減小，雖然有些小區(qū)域的有突增現(xiàn)

象但是隨著后期支護的經(jīng)行又趨于減小，且突變值一直小于設(shè)置的容

許值。

五、分析的主要結(jié)論

本文利用FLAG2D軟件建立模型來模擬隧道左線洞口附近V級圍

巖段開挖支護過程，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果分析隧道自重應(yīng)力平衡、全斷

面開挖隧道、施做初期支護和施做二次襯砌四四個過程中圍巖和支護

結(jié)構(gòu)的變形、受力等情況，從得到的試驗數(shù)據(jù)來看，基本達到了施工

的要求，隧道的各向應(yīng)力趨于平衡，但是應(yīng)力集中的現(xiàn)象還是比較的

明顯，這主要是沒對過渡處經(jīng)行平滑處理的原因，理論上說來隧道的

模型時有一定的可行性，但是其中對很多條件進行了優(yōu)化處理，故在

實際施工中因考慮跟多的參數(shù)影響。

六、命令流

config

grid100,50

gen(-50.0,-25.0)(-50.0,25.0)(50.0,25.0)(50.0,-25.0)ratio

1.0,1.0i=l,101j=l,51

modelelastic

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genarc-1.8478,-0.76545.227,-4.550.32843

genarc0.0,11.2431-5.227,-4.536.734253

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marki56j21

marki57j29

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genline0.0,25.050.618416,-0.14473629

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group'null'region8643

groupdelete'null'

group*User:weiyan，notnull

modelmohrnotnullgroup5User:weiyan,

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cohesion=100000.0friction=25,0dilation=0.0tension=10000.0

notnullgroup*User:weiyan，

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fixxi101j126

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history999unbalanced

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callms.fis

initialxdisp0ydisp0

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initialxdisp0ydisp0

initialxvel0yvel0

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group'null'region4928

groupdelete'null'

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step1

setnine=1000rstart=1.0rstop=0.7

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setib_ap=45ie_ap=57jb_ap=21je_ap=32

apply_rf

histrelax_hist

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