数值方法作业

河南理工大学土木工程数值方法（作业）题目：不同宽度深埋隧道的应力和变形规律姓名：陈延斌学号：211407020007学院：土木工程学院专业：建筑与土木工程班级：硕士一年级指导教师：梁为民完成日期：2015年6月20日目录一、工程概况.......................................................................................................1二、建模方法和求解...........................................................................................12.1、建立网格...............................................................................................12.2、本构模型和参数的选择.......................................................................22.3、模型求解...............................................................................................2三、数据分析.......................................................................................................33.1、垂直应力...............................................................................................33.2、垂直位移...............................................................................................43.2.1、云图............................................................................................43.2.1、巷道中心截面切片....................................................................53.3、最大主应力...........................................................................................73.3.1、云图............................................................................................73.3.2、巷道中心截面切片....................................................................83.4、塑性区...................................................................................................93.5、特征点监测...........................................................................................9四、结果和讨论.................................................................................................101一、工程概况模拟项目为一煤矿巷道，煤层埋深500m。本次模拟的目的是分析在巷道高度恒定条件下，不同宽度条件下的应力与位移的变化规律，以便为巷道的设计和支护方法的选择提供建议。通过建立模型，在初始地应力平衡之后采用null模型来观察和记录特征点的应力和位移，比较不同方案的演化规律。支护采用cable模型。二、建模方法和求解2.1、建立网格建模的思路为采用radcylinder网格和radtunnel网格拼接的方法，模型的尺寸为50m×50m×50m。通过设置size数的匹配来实现拼接过程的节点的自动融合，而后通过镜像的方法建立整个模型。对于不同宽度的模型，网格的基本结构保持不变，只需要设置不同的dimension数组，如表2.1所示。将模型填充并定义组名，这样在开挖的时候就有明确的对象。以B=6m为例，建立好的网格如图2.1所示：宽度（m）网格Dimension宽度（m）网格Dimension5radcylinder(2.5，3，2.5，3)6radcylinder(3，3，3，3)radtunnel(2，2.5，2，2.5)radtunnel(2，3，2，3)7radcylinder(3.5，3，3.5，3)8radcylinder(4，3，4，3)radtunnel(2，3.5，2，3.5)radtunnel(2，4，2，4)9radcylinder(4.5，3，4.5，3)10radcylinder(5，3，5，3)radtunnel(2，4.5，2，4.5)radtunnel(2，5，2，5)表2.1不同宽度下的dimension数组2FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSASettings:ModelPerspective19:08:13WedJun032015Center:X:0.000e+000Y:2.500e+001Z:0.000e+000Rotation:X:20.000Y:0.000Z:30.000Dist:1.633e+002Mag.:0.8Ang.:22.500BlockGroupNonetunnel1tunnel2FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep4000ModelPerspective19:11:54WedJun032015Center:X:0.000e+000Y:2.500e+001Z:0.000e+000Rotation:X:20.000Y:0.000Z:30.000Dist:1.633e+002Mag.:0.8Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.3655e+007to-1.3600e+007-1.3600e+007to-1.3400e+007-1.3400e+007to-1.3200e+007-1.3200e+007to-1.3000e+007-1.3000e+007to-1.2800e+007-1.2800e+007to-1.2600e+007-1.2600e+007to-1.2400e+007-1.2400e+007to-1.2347e+007Interval=2.0e+005图2.1网格建立图2.2初始地应力生成2.2、本构模型和参数的选择首先采用弹性模型来求初始地应力场，然后将所有位移和速度清零之后换做莫尔-库伦模型求解。通过在模型的五个面施加应力的方法来实现深埋隧道的初始地应力场，生成的初始地应力场如图2.2所示。岩体的特性参数要综合考虑各个岩层的属性，最终做出较为合理的选择。2.3、模型求解采用莫尔-库伦模型求解，在求解过程中记录三个特征点的位移，分别是巷道中心截面（y=25m处）的顶板下沉、底鼓以及右侧墙体的位移，每50步记录一次。采用固定时步的方法，固定2000步求解。求解完成后显示竖向位移、最大主应力以及塑性区的范围，数据保存后可以导入到Tecplot软件中进行处理。采用cable模型进行支护，锚杆长3m自由段和锚固段各1.5m。在巷道中心截面的顶板处设置锚杆，如图3所示。3FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep7000ModelPerspective19:18:53WedJun032015Center:X:0.000e+000Y:2.500e+001Z:0.000e+000Rotation:X:20.000Y:0.000Z:20.000Dist:1.633e+002Mag.:0.8Ang.:22.500BlockStateNoneshear-nshear-ntension-ntension-ncableAxialForceMagfac=0.000e+000tensioncompressionMaximum=5.867e+003图2.3锚索结构支护三、数据分析3.1、垂直应力垂直应力随着宽度的增加影响范围逐渐扩大，高应力区域主要集中在巷道两侧，这是由于巷道开挖后上部岩层的重力主要靠巷道两侧的煤体来承担。4FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep6000ModelPerspective19:14:16WedJun032015Center:X:0.000e+000Y:2.500e+001Z:0.000e+000Rotation:X:20.000Y:0.000Z:20.000Dist:1.633e+002Mag.:0.8Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.6430e+007to-1.6000e+007-1.6000e+007to-1.4000e+007-1.4000e+007to-1.2000e+007-1.2000e+007to-1.0000e+007-1.0000e+007to-8.0000e+006-8.0000e+006to-6.0000e+006-6.0000e+006to-4.0000e+006-4.0000e+006to-2.0000e+006-2.0000e+006to0.0000e+0000.0000e+000to3.8763e+004Interval=2.0e+006FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep6000ModelPerspective19:38:08WedJun032015Center:X:0.000e+000Y:2.500e+001Z:0.000e+000Rotation:X:20.000Y:0.000Z:20.000Dist:1.633e+002Mag.:0.8Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.6701e+007to-1.6000e+007-1.6000e+007to-1.4000e+007-1.4000e+007to-1.2000e+007-1.2000e+007to-1.0000e+007-1.0000e+007to-8.0000e+006-8.0000e+006to-6.0000e+006-6.0000e+006to-4.0000e+006-4.0000e+006to-2.0000e+006-2.0000e+006to0.0000e+0000.0000e+000to4.5931e+004Interval=2.0e+006FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep6