ansys隧道开挖衬砌锚杆溶洞.pdf

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3.4ANSYS隧道开挖模拟实例分析3.4.1实例描述选取新建铁路宜昌（宜）万州（万）铁路线上的某隧道，隧道为单洞双车道，隧道正下方存在一个溶洞，隧道支护结构为曲墙式带仰拱复合衬砌。

主要参数如下：

隧道衬砌厚度为30cm。

采用C25钢筋混凝土为衬砌材料。

隧道围岩是级,隧道洞跨是13m，隧道埋深是80m。

溶洞近似圆型，溶洞半径是3.6m,溶洞与隧道距离12.8m。

围岩材料采用Drucker-Prager模型。

隧道拱腰到拱顶布置30根25锚杆。

隧道围岩的物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-7所示。

表3-7物理力学指标名称容重（3/mkN）弹性抗力系数K（MPz/m）弹性模量E（GPa）泊松比v内摩擦角（。

）凝聚力C（MPa）级围岩223003.60.32370.6C25钢筋混凝土25-29.50.15542.42锚杆79.6-1700.3-利用ANSYS提供的对计算单元进行“生死”处理的功能，来模拟隧道的分步开挖和支护过程，采用直接加载法，将岩体自重、外部恒载、列车荷载等在适当的时候加在隧道周围岩体上。

利用ANSYS后处理器来查看隧道施工完后隧道与溶洞之间塑性区贯通情况，来判断隧道底部存在溶洞情形时，实际所采用的设计和施工方案是否安全可行。

3.4.2ANSYS模拟施工步骤ANSYS模拟计算范围确定原则：

通常情况下，隧道周围大于3倍洞跨以外的围岩受到隧道施工的影响很小了，所以，一般情况下，计算范围一般取隧道洞跨3倍。

但因为本实例隧道下部存在溶洞，所以，垂直方向：

隧道到底部边界取为洞跨的5倍，隧道顶部至模型上部边界为100米，然后根据隧道埋深情况将模型上部土体重量换算成均布荷载施加在模型上边界上；水平方向长度为洞跨的8倍。

模型约束情形：

本实例模型左、右和下部边界均施加法向约束，上部为自由边界，除均布荷载外未受任何约束。

围岩采用四节点平面单元（PLANE42）加以模拟，初期支护的锚杆单元用LINK1单元来模拟，二次衬砌支护用BEAM3来模拟，计算时首先计算溶洞存在时岩体的自重应力场，然后再根据上述方法模拟开挖过程。

ANSYS模拟隧道施工步骤如下：

1）建立模型。

2）施加载荷与初始应力场模拟。

3）开挖隧道，用杀死单元来模拟。

4）对隧道进行支护，用激活单元并改变单元材料属性来模拟。

5）做隧道仰拱。

6）施加列车荷载。

9）计算结果分析。

3.4.3GUI操作方法3.4.3.1创建物理环境1）在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYSProductLauncher】，得到“10.0ANSYSProductLauncher”对话框。

2）选中【FileManagement】，在“WorkingDirectory”栏输入工作目录“D:

ansysexample302”，在“JobName”栏输入文件名“Tunnel”。

3）单击“RUN”按钮，进入ANSYS10.0的GUI操作界面。

4）过滤图形界面：

MainMenuPreferences，弹出“PreferencesforGUIFiltering”对话框，选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。

5）定义工作标题：

UtilityMenuFileChangeTitle，在弹出的对话框中输入“TunnelConstructModelingAnalysis”，单击“OK”，如图3-55。

图3-55定义工作标题6）设定角度单位：

UtilityMenuParametersAngularUnits，弹出“AngularUnitsforParametersFunctions”对话框，如图3-56所示。

在“Unitsforangular”栏后面的下拉菜单中选取“DegreesDEG”，单击“OK”按钮。

图3-56定义角度单位对话框7）定义单元类型：

a.定义BLEAM3单元：

MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete，弹出“ElementTypes”单元类型对话框，如图3-57所示，单击“Add”按钮。

弹出“LibraryofElementTypes”单元类型库对话框，如图3-58所示，在左面滚动栏中选取“Beam”，右边的滚动栏中选择“2Delastic3”。

然后单击“OK”按钮，这就定义了“BEAM3”单元。

3-58定义Beam3单元对话框b.定义PLANE42单元：

MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，单击“Add”按钮。

弹出如图3-59所示对话框。

在该对话框左面滚动栏中选择“Solid”，在右边的滚动栏中选择“Quad4node42”，单击“Apply”，就定义了“PLANE42”单元。

图3-59定义PLANE42单元对话框图3-57单元类型对话框图3-60定义完单元类型对话框c.定义LINK1单元：

MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，单击“Add”按钮。

又弹出一个对话框，如图3-60所示，在该对话框左面滚动栏中选择“Link”，在右边的滚动栏中选择“2DSpar1”，单击“Apply”。

又弹出一个如图3-61所示的对话框。

图3-60定义LINK1单元对话框d.设定PLANE42单元选项：

在图3-61对话框中选中“Type2PLANE42”，单击“Options”按钮，弹出一个“PLANE42elementTypeoptions”对话框，如图3-62所示。

在“ElementbehaviorK3”栏后面的下拉菜单中选取“Planestrain”，其它栏后面的下拉菜单采用ANSYS默认设置就可以，单击“OK”按钮。

图3-62PLANE42单元库类型选项对话框图3-63BEAM3单元库类型选项对话框e.设定BEAM3单元选项：

图3-61对话框中选中“Type1BEAM3”，单击“Options”按钮，弹出一个“BEAM3elementTypeoptions”对话框，如图3-63所示。

在“Memberforce+momentoutputK6”栏后面的下拉菜单中选取“Includeoutput”，其它栏后面的下拉菜单采用ANSYS默认设置就可以，单击“OK”按钮。

通过设置PLANE42单元选项“K3”为“Planestrain”来设定本实例分析采取平面应变模型进行分析。

PLANE42单元用来模拟隧道周围围岩和隧道初次衬砌。

BEAM3单元用来模拟隧道二次衬砌。

设置BEAM3单元选项“K6”为“Includeoutput”来设定输出梁内力。

8）定义材料属性a.定义衬砌材料属性：

MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels，弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框，如图3-64所示。

图3-64定义材料本构模型对话框在图3-64中右边栏中连续双击“StructuralLinearElasticIsotropic”后，又弹出如图3-65所示“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“2.95E10”，在“PRXY”后面的输入栏输入“0.2”，单击“OK”。

再在选中“Density”并双击，弹出如图3-66所示“DensityforMaterialNumber1”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道衬砌混凝土材料的密度“2500”，单击“OK”按钮，返回图3-64对话框中。

再次在图3-64中右边的栏中连续双击“StructuralNonlinearInelasticNon-metalplasticitydrucker-prager”后，又弹出一个如图3-67所示对话框。

在在“Cohesion”栏添入C25混凝土的内聚力“2.42E6”，在“FricAngle”栏添入C25混凝土的内摩擦角“54”，单击“OK”按钮，弹出图3-68所示对话框。

图3-65线弹性材料模型对话框图3-66材料密度输入对话框图3-67定义DP材料对话框图3-68定义完衬砌材料属性后对话框图3-69定义材料编号对话框b.定义围岩材料属性：

在图3-68对话框中，单击“MaterialNewModel”，弹出一个“DefineMaterialID”对话框，如图3-69所示，在“ID”栏后面输入材料编号“2”，单击“OK”按钮。

弹出一个定义材料模型对话框对话框，选中“MaterialModelNumber2”，和定义混凝土材料一样，在右边的栏中连续双击“StructuralLinearElasticIsotropic”后，又弹出一个“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber2”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“3.69E9”，在“PRXY”后面的输入栏输入“0.32”，单击“OK”。

再选中“Density”并双击，弹出一个“DensityforMaterialNumber2”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道围岩材料的密度“2200”，再单击“OK”按钮，弹出一个定义材料模型对话框。

在弹出对话框中右边栏中连续双击“StructuralNonlinearInelasticNon-metalplasticitydrucker-prager”，又弹出一个如图3-70所示对话框。

在在“Cohesion”栏添入C25混凝土的内聚力“0.6E6”，在“FricAngle”栏添入C25混凝土的内摩擦角“37”，单击“OK”按钮，弹出一个定义材料模型对话框。

图3-70定义DP材料对话框c.定义挖去土体材料性质：

方法和定义围岩材料性质一样，输入的数据一样，只是材料号为3，这是为后面求解便于操作。

d.定义锚杆单元材料属性：

在图3-68对话框中，单击“MaterialNewModel”，弹出一个“DefineMaterialID”对话框，在“ID”栏后面输入材料编号“4”，单击“OK”按钮。

弹出一个定义材料模型对话框对话框，选中“MaterialModelNumber4”，和定义混凝土材料一样，在右边的栏中连续双击“StructuralLinearElasticIsotropic”后，又弹出一个“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber2”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“17E10”，在“PRXY”后面的输入栏输入“0.3”，单击“OK”。

再选中“Density”并双击，弹出一个“DensityforMaterialNumber2”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道围岩材料的密度“7960”，再单击“OK”按钮，弹出定义完材料模型对话框，如图3-71所示。

图3-71定义完材料模型对话框在图3-71对话框中，单击“MaterialEXIT退出。

隧道围岩是级，其弹性模量、泊松比和密度以及隧道衬砌支护材料C25的这些物理力学参数是根据铁路隧道设计规范和现场情况得出的。

把要挖去土体单独定义一个材料号，目的是为了后面求解操作方便。

9）定义实常数a.定义衬砌单元实常数：

MainMenuPreprocessorRealConstantsAdd/Edit/Delete，弹出“RealConstants”实常数对话框，如图3-72所示。

单击“Add”按钮，弹出如图3-73所示的选择单元类型对话框，选中“Type1BEAM3”，单击“OK”按钮，弹出如图3-74所示“RealConstantforBEAM3”对话框，在对话框中分别输入隧道衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA“0.3”、惯性矩IZZ“0.3*0.3*0.3/12”、高度HEIGHT“0.3”。

b.定义锚杆单元实常数：

MainMenuPreprocessorRealConstantsAdd/Edit/Delete，弹出“RealConstants”实常数对话框，单击“Add”按钮。

弹出一个选择单元类型对话框，选中“Type3LINK1”，单击“OK”按钮，弹出如图3-75所示“RealConstantSetNumber2forLINK1”对话框，在对话框中分别输入锚杆单元LINK1的横截面积AREA“3.14*0.025*0.025/4”。

图3-72实常数对话框图3-74定义BEAM3实常数对话框图3-73选择单元类型对话框3-74定义LINK1实常数对话框在图3-74中单击“OK”按钮，弹出一个对话框，最后单击“Close”按钮。

3.4.3.2建立模型和划分网格1）定义分析参数：

UtilityMenuParametersScalarParameters，弹出“ScalarParameters”对话框，如图3-75所示。

在“Selection”输入行输入：

“num=30”，单击“Accept”。

然后依次在“Selection”输入行分别输入：

jd_s=0jd_e=180-jd_sjd=（jd_e-jd_s）/numdistance=10depth=80fricangle=37dens=2200d=12.8cohesion=0.6E6posionratio=0.32elasticmoduli=3.6E9t1=0.25r_karst=5.6r1=2.5E-2每输入一个参数就按一次“Accept”按钮确认，最后输入完后，单击“Close”，关闭“ScalarParameters”对话框，其输入参数的结果如图3-75所示。

图3-75输入参数对话框2）创建隧道衬砌支护线a.输入关键点：

MainMenuPreprocessorModelingCreateKeypointsInActiveCS，弹出“CreaeKeypointsinActiveCooedinateSystem”对话框，如图3-76所示。

在“NPTkeypointnumber”栏后面输入“1”，在“X，Y，ZLocationinactiveCS”栏后面输入“（0，0，0）”，单击“Apply”按钮，这样就创建了关键点1。

再依次重复在“NPTkeypointnumber”栏后面输入“2、3、4、201、202、203、204”，在对应“X，Y，ZLocationinactiveCS”栏后面输入“（0，11.37，0）、（3.34，0，0）、（-3.34，0，0）、（0，0，10）、（0，11.37，10）、（3.34，0，10）、（-3.34，0，10），最后单击“OK”按钮。

关键点点KP1、KP2、KP3、KP4是创建隧道支护线的4个圆心。

KP201、KP202、KP203、KP204是后面生成圆法线外一点。

图3-76在当前坐标系创建关键点对话框b.绘制隧道四心圆：

这4个圆的圆心分别是关键点KP1、KP1、KP2、KP3和KP4，对应的半径分别是5.8、14.4、2.67、2.67。

在命令行输入“circle,1,5.8,201”,然后按回车键，就绘制出一个以关键点1为圆心，5.8为半径的圆。

同法依次输入命令：

“circle,2,14.4,202”、“circle,3,2.67,203”、“circle,4,2.67,204”，绘制其他3个圆，如图3-77所示。

图3-77四心圆c.打开线编号显示：

UtilityMenuPlotCtrlsNumbering，弹出“PlotNumberingControls”对话框，如图3-78所示。

选中“LineNumbers”选项，后面的文字由“off”变为“on”,单击“OK”关闭窗口。

图3-78显示线编号对话框e.把4个圆相交点打断：

在命令行输入“lcsl，all”，按回车键，生成36条线。

图3-79选择实体对话框图3-80选择线对话框f.选择隧道衬砌支护线：

UtilityMenuSelectEntities，弹出一个“SelectEntities”对话框，如图3-79所示，从第一栏下拉菜单选择“Lines”，从第2栏下拉菜单选择“byNum/Pick”，单击“OK”按钮。

弹出一个选择线对话框，如图3-80所示，用鼠标在图中选取线L17、L18、L19、L20、L21、L22、L27、L28、L43、L46、L47、L48共12条线，单击“OK”按钮。

g.把隧道衬砌支护线创建成一个组件：

UtilityMenuSelectCom/AssemblyCreateComponent，弹出一个“CreateComponent”对话框，如图3-81所示，在“Componentname”输入组件名字“ZF”，在“Componemtismadeof”栏后面下拉菜单中选取“Lines”，单击“OK”按钮。

图3-81创建线组件对话框h.删除多余线生成隧道衬砌支护线：

先执行UtilityMenuSelectEntities，弹出一个“SelectEntities”对话框，如图3-79所示，用鼠标单击“Invert”，然后单击“OK”退出。

然后执行MainMenuPreprocessorModelingDeleteLinesOnly，弹出一个删除线对话框，单击“PickALL”。

就得到隧道衬砌支护线图（也即隧道轮廓图），如图3-82所示。

图3-82隧道衬砌支护线3）创建初期支护加固范围a.绘制4个圆：

在命令行依次输入“circle,1,8.8,201”、“circle,2,17.4,202”、“circle,3,5.67,203”、“circle,4,5.67,204”；每输入一次按依次回车键，就得到4个圆。

b.选择组件：

UtilityMenuSelectCom/AssemblySelectCom/Assembly，弹出一个“SelectComponentorAssembly”对话框，如图3-83所示，选取“bycompomentnames”，单击“OK”按钮。

弹出一个如图3-84对话框，选中“ZF”，单击“OK”按钮。

图3-83选取组件对话框图3-84选取组件对话框c.把4个圆相交点打断：

先执行UtilityMenuSelectEntities，弹出一个“SelectEntities”对话框，如图3-79所示，用鼠标单击“Invert”，然后单击“OK”退出。

在命令行输入“LCSL，ALL”，按回车键，这样4个院在交点处被打断。

d.删除多余线生成支护加固范围：

然后执行MainMenuPreprocessorModelingDeleteLinesOnly，弹出一个删除线对话框，用鼠标选取线L5、L6、L31、L32、L33、L34、L37、L38、L39、L40、L41、L42、L44、L45、L49、L50、L51、L52、L53、L54、L55、L56、L57、L58、L60、L61、L64、L65共，后单击“OK”，就得到隧道加固范围图，如图3-85所示。

图3-85隧道衬砌支护线及隧道加固范围图4）生成溶洞面：

MainMenuPreprocessorModelingCreateAreasCircleSolidCircle，弹出一个绘制圆对话框，如图3-86所示，在“X”栏后面输入圆心X轴坐标“0”，在“Y”栏后面输入圆心Y轴坐标“-12.8”，在“Radius”栏后面输入溶洞半径“3.6”，单击“OK”按钮就生成了溶洞面。

图3-86绘制圆对话框图3-87创建直线对话框5）细分隧道分析线模型a.生成关键点：

MainMenuPreprocessorModelingCreateKeypointsInActiveCS，在弹出创建关键点对话框中，依次创建关键点KP60（-52，-65）、KP61（-12，-65）、KP62（12，-65）、KP63（52，-65）、KP64（52，-17.6）、KP65（12，-17.6）、KP66（-12，-17.6）、KP67（-52，-17.6）、KP68（-52，-8）、KP69（-12，-8）、KP70（12，-8）、KP71（52，-8）、KP72（52，10）、KP73（12，10）、KP74（-12，10）、KP75（-52，10）、KP76（52，80）、KP77（-12，80）、KP78（12，80）、KP79（52，80）。

b.连接关键点生成直线：

MainMenuPreprocessorModelingCreateLinessStraight，弹出一个创建直线对话框，如图3-87所示，选择关键点KP60和KP61，点击“OK”按钮，然后依次连接关键点，生成直线，最后得到细分后隧道分析线模型，如图图3-88所示。

图3-88细分隧道分析线模型6）生成隧道分析几何模型a.创建隧道分析模型面：

MainMenuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryThroughKPs，弹出一个“CrearAreathru”对话框，如图3-89所示。

用鼠标选择依次选取图形最外层四个角上关键点：

KP60、KP63、KP79、KP72，单击“OK”。

b.细分隧道分析模型面：

MainMenuPreprocessorModelingOperateBooleansAreabyLine，弹出一个“DivideAreabyLine”对话框，如图3-90所示。

用鼠标选择刚才由四关键点生成的面，单击“OK”。

又弹出图3-90所示对话框，点击“PickAll”，生成16个新面。

图3-89由关键点创建面对话框图3-89线分割面对话框图3-90删除面对话框c.打开面编号显示：

UtilityMenuPlotCtrlsNumbering，弹出“PlotNumberingControls”对话框，如图3-78所示。

选中“AreasNumbers”选项，后面的文字由“off”变为“on”,单击“OK”关闭窗口。

d.删除溶洞面生成溶洞：

MainMenuPreprocessorModelingDeleteAreaOnly，弹出“DeleteAreasOnly”对话框，如图3-90所示。

用鼠标选中溶洞面积，单击“OK”关闭窗口。

e.压缩不用的面号：

MainMenuPreprocessorNumberingCtrlsCompressNumbers，弹出“CompressNumber”对话框，如图3-91所示，在“Itemto