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        基于FLAC3D隧道開挖的關(guān)鍵命令流

        2020-04-01 08:36:36周旭輝
        河南科學(xué) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:應(yīng)力場差分錨桿

        包 昊, 周旭輝, 葛 彬, 方 超

        (1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,南京 210024; 2.安徽省綜合交通研究股份有限公司,合肥 230000)

        隨著城市化進程的不斷加快,地表空間已經(jīng)不能夠滿足人們的需求,地下空間的探索已然成為主流. 盾構(gòu)隧道施工技術(shù)是人們對于地下空間探索的最主要的方法之一. 隨著工程項目的增多,各地地形的復(fù)雜不一,因此隧道的開挖也遇到各種各樣的問題,如何較為準(zhǔn)確的預(yù)測隧道開挖過程中風(fēng)險,成為國內(nèi)外學(xué)者們尤為關(guān)注的問題.

        數(shù)值模擬分析成為如今分析隧道工程相關(guān)問題的重要方式之一. 隨著科技的發(fā)展,眾多商業(yè)軟件被開發(fā)出來用于模擬實際工程問題,與其他軟件相較而言,F(xiàn)LAC3D 軟件在用于隧道工程的模擬時具有多方面的優(yōu)勢[1]. 首先,隧道開挖時,不同場地的物理力學(xué)參數(shù)不同,導(dǎo)致不同場地的本構(gòu)模型之間具有差異,F(xiàn)LAC3D 軟件內(nèi)嵌多種本構(gòu)模型,可以針對不同的場地進行合理的選擇;第二,與實體(group)單元不同的是,該軟件本身擁有較多的結(jié)構(gòu)單元用于模擬現(xiàn)實中的襯砌、錨索、梁等,在方便使用者的同時提高了模擬的準(zhǔn)確性;第三,該軟件為滿足更多使用者的要求,其內(nèi)置的FISH 語言使得參數(shù)的賦值以及數(shù)據(jù)的提取更加人性化. 眾所周知,隧道開挖的問題已經(jīng)得到了廣泛的分析[2-8],而FISH 語言則是建模中必不可少的部分.

        本文簡要介紹了隧道開挖模擬中關(guān)鍵部分的程序命令流,建立有限差分隧道模型,進行一次隧道開挖對地表位移影響的模擬運算,將結(jié)果與Peck[9]經(jīng)驗公式擬合對比,證明其有效性.

        1 關(guān)鍵命令

        1.1 生成初始地應(yīng)力場

        在采礦工程或者巖土工程領(lǐng)域中,必然存在著初始地應(yīng)力場,它對于土體變形分析的影響不容小覷. 傳統(tǒng)初始地應(yīng)力場的生成采用彈性求解法,而后再改換成塑性求解,忽略了土體的實際性質(zhì). 而采用彈塑性求解法與前述方法相比可產(chǎn)生屈服的區(qū)域,相較而言,該方法初始地應(yīng)力場的生成比前者更為合理.

        用簡單例子更簡易地表達(dá)彈塑性求解法的過程:

        需要要注意的是此簡單例子只為說明生成初始地應(yīng)力場的過程和方法,將其更為簡明地展示出來,由于模型較為簡單,故在自重作用之下并沒有產(chǎn)生屈服區(qū)域,實際情形需要由使用者自己建立適用的模型進行觀察分析.

        1.2 應(yīng)力釋放

        應(yīng)力釋放法實際上就是應(yīng)力的反向施加. 張傳慶等[10]分析了應(yīng)力釋放在隧道工程中的相關(guān)問題;程紅戰(zhàn)等[11-12]在將應(yīng)力釋放系數(shù)設(shè)為0.1的基礎(chǔ)上建立隧道模型,分析了土體彈性模量的相關(guān)距離和變異系數(shù)對地表變形的影響;方超等[13]將圍巖密度、彈性模量、內(nèi)摩擦角視為三維正態(tài)隨機場,研究圍巖的相關(guān)距離對可靠度的影響,其中應(yīng)力釋放系數(shù)為0.30. 應(yīng)力釋放方法的原理[14]是當(dāng)土體開挖以后,在開挖邊緣的單元節(jié)點上會失去原有的支持力,進行第一步計算(step 1). 此計算是為了獲取其不平衡力P0,將這些不平衡力以某一比例(應(yīng)力釋放系數(shù)a)反向施加在原有的節(jié)點之上,緊接著添加shell單元進行最后求解. 應(yīng)力釋放后不能進行一次求解計算,必須添加襯砌后兩者同時求解,否則隧道先變形后添加襯砌,其隧道掌子面變形量與襯砌變形量不相等,從而脫離實際. 應(yīng)力釋系數(shù)的確定與當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)、開挖施工方法等都有一定關(guān)系,需綜合分析確定.

        具體命令流為:

        1.3 設(shè)置錨索

        在隧道開挖工程的數(shù)值模擬中用錨桿和錨索的支護,常常用錨桿對巖石巖土工程進行加固,它的作用是利用水泥沿著長度方向提供的抗剪切能力,以生成局部阻力,借此抵御裂縫的位移變形,但是在目前已有的論文中極少有關(guān)于該命令流的介紹. 由于隧道縱向長度遠(yuǎn)大于橫向長度,將其視為平面應(yīng)變情況,所以建模縱向距離取值1 m,在該范圍內(nèi)的錨桿數(shù)量有限,用精確坐標(biāo)的方法[16]即可完成錨桿布置的數(shù)值模擬. 由于錨桿在圓形隧道四周呈放射狀布置,故FLAC中的單元都以矩形方塊為主,而放射狀布置相對于單元形狀是難以確定坐標(biāo)的,可以使用CAD繪制準(zhǔn)確圖形,從CAD繪圖軟件中精確讀取每根錨桿的坐標(biāo)位置,并以其中一根錨桿的命令流為例,使用精確坐標(biāo)法布置隧道四周的錨桿命令流:

        用該方法建立錨桿需輸入每個點的坐標(biāo),故不適合較多坐標(biāo)點的輸入,否則既繁瑣又容易出錯,需慎重選擇. 錨桿一般與襯砌連用,共同作用于隧道掌子面,使得隧道變形降為最小值,就如上面添加襯砌一樣,錨桿的添加也不是一步完成的,需要在此之前進行應(yīng)力釋放,由于前面已經(jīng)定義了FISH語言,這里不再復(fù)述.利用應(yīng)力釋放程序、襯砌(shell)單元、錨桿(cable)等建立較為完善的隧道開挖模擬.

        2 隧道有限差分建模

        以在上海地區(qū)的軟黏土中開挖隧道為原型,模擬在均質(zhì)土體中開挖隧道對鄰近建筑物的影響. 有限差分模型的幾何形狀如圖1所示,土體的寬度為120 m,深度為50 m,較大的邊界有利于減少計算變形的誤差.隧道的襯砌用shell單元來模擬,由于在FLAC3D中shell單元為彈性連續(xù)環(huán),這與實際襯砌的組裝不相符,故需要對襯砌剛度進行折減,折減系數(shù)取0.7. 隧道的軸線埋深為15 m,如表1所示,隧道的外徑為6.2 m,內(nèi)徑為5.5 m,襯砌厚度為0.35 m. 由于隧道的縱向尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其截面的尺寸,故同前所述,縱向取值1 m假設(shè)為平面應(yīng)變情形. 假設(shè)襯砌為混凝土材料,其彈性模量、泊松比和重度分別為34.5 GPa、0.2和25 kN/m3.

        表1 物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physico-mechanical parameters

        圖1 有限差分模型Fig.1 Finite difference model

        在各種數(shù)值模擬中,已有大量的土體模型用于模擬軟土的非線性應(yīng)力應(yīng)變的特性. 然而獲得準(zhǔn)確的土體參數(shù)進行合理的預(yù)測較為困難,故本研究采用Mohr-Coulomb 模型,這也是目前在模擬土體模型中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值模型之一.表1給出了土體參數(shù),這是上海軟黏土的常用值[17]. 采用應(yīng)力釋放法開挖隧道,典型的上海軟黏土的應(yīng)力釋放率為25%~30%,結(jié)合有限差分模型以及上海隧道的實際情形,本文的應(yīng)力釋放率取值0.25. 均質(zhì)土的地表位移如圖2 所示,該曲線能用Peck的經(jīng)驗公式較好地擬合,基本服從高斯分布,也說明該有限差分模型可以有效地模擬隧道開挖引起的地表變形規(guī)律.

        圖2 地表沉降與曲線擬合Fig.2 Surface settlement and curve fitting

        3 結(jié)語

        1)FLAC3D在分析隧道工程和采礦工程問題時具有較大的優(yōu)勢,內(nèi)含的結(jié)構(gòu)單元和本構(gòu)模型可更為簡便與準(zhǔn)確地進行數(shù)值建模. 但在模型較大、單元數(shù)量較多時,其計算過程較長,計算速度會顯得較慢.

        2)傳統(tǒng)的初始地應(yīng)力場的生成雖然簡便,但與實際有一定差距. 通過改變強度參數(shù)的彈塑性法建立初始地應(yīng)力場可優(yōu)化這一過程,可反映土體的塑性區(qū),但其計算速度亦會隨著模型的增大減慢.

        3)使用應(yīng)力釋放法進行隧道開挖,可以在一定計算條件下較好地還原實地情形,但是由于應(yīng)力釋放率的確定與各種因素有關(guān),故需綜合確定.

        4)用FLAC3D 建立有限差分模型,所得隧道開挖對地表位移的沉降曲線符合Peck 經(jīng)驗公式,具有一定的有效性.

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