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考虑初始应力和变形过程的隧道围岩块体稳定性分析

作　者: 孙荣冠
导　师: 章杨松；石杏喜
学　校: 南京理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 三维网络模拟关键块体初始应力有限元分析接触面围岩稳定性
分类号: U451.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

隧道围岩非连续变形稳定性分析是隧道施工安全评价的一项非常重要的内容。岩体可以视为由裂隙面和由裂隙面相互切割形成的块体组合成的集合体,大量工程经验表明,在隧道开挖过程中,岩体的破坏形式很多情况下表现为块体的失稳破坏。本文在“关键块体理论”的基础上,结合隧道开挖临空面识别出可能失稳的块体,并利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件分析初始地应力及开挖二次应力场对围岩稳定性的影响,主要的研究内容和结论有：(1)归纳总结了近年来关于裂隙面模拟和块体识别的理论和方法,并利用面向对象的编程语言VC++和OpenGL的图形处理功能开发出了基于windows操作平台的岩体裂隙三维网络模拟系统。对于岩体确定性裂隙,该模型能直接导入裂隙面的产状、长度等几何参数；对于现场测量无法确定的裂隙则可以通过假定其分布规律模拟生成所需要的裂隙。该程序可以实现研究区域岩体、隧道开挖面及裂隙面的模型建立、显示、缩放、旋转和平移等功能,同时基于关键块体的理论编制算法对裂隙面交割生成块体的过程进行计算,并结合隧道开挖临空面的空间位置实现了关键块体的识别和显示。(2)利用ANSYS前处理功能建立隧道有限元模型,并将前面得到的关键块体数据结构转化为可识别的有限元命令流导入该模型中。利用LS-DYNA计算程序对隧道开挖过程进行模拟计算,并在分析中考虑初始地应力及开挖二次应力场的影响。通过分析特定形状块体在不同摩擦系数时的时间-位移规律,可以发现当摩擦系数较大时,块体处于稳定状态,接触面提供的摩擦力足以阻止其下滑；随着摩擦系数的减小,当到达某一数值时,块体的下滑力超过了接触面所能提供的最大摩擦力,这时块体出现失稳破坏,并以此作为判断围岩失稳的标准。同时根据有限元强度折减法的基本原理,分析了围岩稳定性的安全系数。(3)根据块体稳定性分析的常规方法,利用同样的有限元模型,只考虑可能失稳块体自身的重力对其稳定性的影响,不考虑围岩初始地应力及隧道开挖二次应力场的影响进行了对比计算。通过分析计算结果可以发现,对于本文所研究的上窄下宽型的可能失稳块体,传统的分析方法得出无论摩擦系数有多大,块体都会脱离围岩发生失稳。通过对比发现,在围岩稳定性中考虑围岩初始地应力及开挖二次应力场的影响分析结果更加合理。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
1 绪论  9-18
  1.1 问题的提出  9-10
  1.2 非连续变形数值分析方法简介  10-14
    1.2.1 界面单元有限元法  10-11
    1.2.2 离散单元法  11-12
    1.2.3 刚体有限元法  12-13
    1.2.4 非连续变形分析方法  13
    1.2.5 数值流形方法  13-14
  1.3 非连续变形分析方法的研究现状  14-16
  1.4 本文研究内容  16-18
2 岩体裂隙三维随机网络模型的模拟及可视化  18-31
  2.1 岩体裂隙三维网络模拟技术的研究与发展  19-21
  2.2 岩体裂隙三维网络模型的参数  21-24
    2.2.1 裂隙的密度和空间分布  22-23
    2.2.2 裂隙的方向和分组  23-24
    2.2.3 裂隙的形状和大小  24
  2.3 裂隙三维网络模型的生成  24-28
  2.4 裂隙三维网络模型的显示  28-30
  2.5 本章小结  30-31
3 基于三维裂隙网络模型的块体识别及可视化  31-40
  3.1 基本理论  31
  3.2 块体分类  31-33
  3.3 失稳块体和可能失稳块体的识别  33-38
    3.3.1 研究区域离散  34
    3.3.2 裂隙筛选  34-36
    3.3.3 分割子区为单元块体  36-37
    3.3.4 裂隙面恢复为圆盘  37
    3.3.5 研究区域重构  37-38
    3.3.6 块体可移动性分析  38
    3.3.7 得到失稳块体和可能失稳块体顶点坐标、面数、顶点顺序号等  38
  3.4 块体可视化的实现  38-39
  3.5 本章小结  39-40
4 基于块体模型的围岩非连续变形及稳定性数值分析  40-63
  4.1 隧道围岩的地应力场  40-43
    4.1.1 围岩初始地应力场  40-42
    4.1.2 隧道开挖后的二次应力场  42-43
  4.2 LS-DYNA简介  43-48
    4.2.1 ANSYS/LS-DYNA分析功能  43-44
    4.2.2 ANSYS/LS-DYNA前后处理及求解步骤  44
    4.2.3 LS-DYNA数值模拟基本原理  44-47
    4.2.4 算法的选取  47-48
  4.3 隐式-显式模型建模求解分析过程  48-49
  4.4 ANSYS/LS-DYNA有限元模型的建立  49-54
    4.4.1 单元的选取  49
    4.4.2 网格单元的划分  49-50
    4.4.3 接触  50-52
    4.4.4 定义载荷、施加约束与边界条件  52-53
    4.4.5 有限元模型的建立  53-54
  4.5 有限元模型的求解过程  54-56
  4.6 计算结果分析,确定块体失稳标准  56-59
    4.6.1 块体的竖向位移分析  57-58
    4.6.2 块体与围岩接触面的剪应力分析  58-59
    4.6.3 围岩稳定性安全系数  59
  4.7 不考虑初始地应力和开挖影响的情况下块体的稳定性  59-62
    4.7.1 块体的竖向位移分析  60-61
    4.7.2 块体与围岩接触面的剪应力分析  61-62
  4.8 本章小结  62-63
5 结论  63-65
致谢  65-66
参考文献  66-77
附录  77

考虑初始应力和变形过程的隧道围岩块体稳定性分析

内容摘要

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