巷道ANSYS计算分析.docx
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巷道ANSYS计算分析.docx
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巷道ANSYS计算分析
1工程概况
本次研究的是某矿北大巷的开挖围岩稳固性和支护成效。
北大巷位于三煤的底板岩层中,其标高为-850m,垂直地应力约为20MPa,巷道为直墙半圆拱型形状,净宽,净高。
由于地应力高,故采纳锚喷反底拱、锚注复合支护方案加固巷道,具体的巷道尺寸与支护方法如图1。
图1巷道锚喷反底拱、锚注复合支护方案
2北大巷围岩结构力学模型
巷道支护模拟分析最要紧问题有三个:
一是本构模型和参数;二是边界条件;三是模拟开挖和支护进程。
数值计算模型的特点
(1)巷道问题符合平面应变问题,本次数值计算均作为平面应变问题来处置。
(2)为排除边界效应,各模型取足够大的尺寸,巷道处于模型的中心。
(3)依如实际体会和采矿理论,在模型的左右边界设为应力边界条件,模型下边界设为垂直位移约束,上边界自由加载,载荷大小为覆岩的自重。
(4)模型岩层的划分与实际地层大体一致,较薄岩层归并处置。
(5)合理选择计算参数和本构模型。
本构模型及力学参数选取
(1)本构模型的选取
岩石材料本构关系的描述,国内外有很多种,每一种本构模型都有其优缺点,那个地址采纳目前应用最普遍、最适宜于岩土材料的Dracker-Prager屈服准那么。
该屈服准那么对Mohr-Coulomb准那么给予近似,以此来修正Von·Mises屈服准那么,即在Von·Mises表达式中包括一个附加项。
其流动准那么能够利用相关流动准那么,也可利用不相关流动准那么,其屈服面不随材料的慢慢屈服而改变,同时考虑了由于屈服而引发的体积膨胀,因此适用于岩土、混凝土和土壤等颗粒状材料。
Drucker-Prager在1952年提出式:
(1)
其中,I1为考虑平均应力
的应力第一不变量
J2为应力偏张量第二不变量
、k为材料参数。
在数值计算中,DP材料需要输入的参数有E、
、C、
、
,其确信方式如下:
(2)
(3)
上式中的
和
可由单轴受压屈服应力和受拉屈服应力计算得来,
(4)
(5)
因此,若是有单轴受拉屈服应力
和单轴受压屈服应力
就能够够计算出程序需要的输入值。
另外,
代表膨胀角,它用来操纵体积膨胀的大小,对压实的颗粒状材料,当材料受剪时,颗粒将会膨胀,若是膨胀角
为0,那么可不能发生体积膨胀,若是
=
,在材料中将会发生严峻的体积膨胀,一样来讲,
=0是一种保守方式。
(2)力学参数的选取
力学参数的选取直接关系着是不是能取得正确的计算结果,依照以往位移反分析的功效,弹性模量可由实验室测试值乘以一适合的折减系数取得,其余的力学参数能够查阅岩石力学参数手册,并结合实践体会类比确信。
计算模型的成立
(1)计算范围的选择
巷道的计算范围要适当,边界长度一样按巷道直径的3-5倍选取,如此可排除边界效应的阻碍。
本次巷道选取一个30m×30m的正方形区域,巷道位于模型的正中央。
(2)边界条件和计算参数
在自重应力条件下,对边界条件作如下规定:
对底边约束垂直方向位移,对左右双侧边界施加水平方向约束,在模型的顶部施加垂直地应力。
本次计算的巷道的计算参数见表1。
表1计算参数表
材料类型
容重
(KN/m3)
变模E(Gpa)
粘聚力C(Mpa)
摩擦角(
)
泊松比
岩体
8
33
喷层
28
45
注浆加固岩体
15
40
反底拱
30
2
50
模拟计算进程
开挖和支护按以下步骤进行:
(1)未开挖时的初始计算
模型成立完毕后,施加边界条件,令所有的支护单元处于死亡状态,计算初始应力场
和初始位移场
。
(2)开挖与支护计算
在外载不改变的情形下,令本次开挖单元休眠,支护单元(锚杆)激活,然后进行计算,别离模拟单纯用锚杆支护和锚注联合支护的成效,通过本次计算,取得本次开挖的计算结果
,
,即第一次开挖支护后围岩的应力场和位移场。
和
表示开挖进程中的应力和变形结果,在实际应用中,常以为初始位移场为零位移场,即常常关切的是在原始状态下的扰动位移
。
(3)绘制相应的应力和变形图,并分析计算结果。
3ANSYS数值分析
软件介绍
目前,用于结构分析及岩土工程数值计算的软件很多,依照研究问题的特点和要求,本次选用美国Ansys公司的Ansys数值分析软件。
Ansys软件是美国Ansys公司开发的有限元商业软件,该程序是一个功能壮大灵活的设计分析及优化软件包,可在大多数运算机的操作系统上运行,能够用于结构力学分析、热分析、流体力学分析和耦合场分析等多个领域,在结构力学分析方面,可用于静力分析,能够考虑结构的线性和非线性行为,如大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等,超级适合应用于岩土工程数值计算。
开挖与支护的模拟方式
开挖及支护进程采纳指定休眠单元/活单元(Death/Birth)方式来实现,这种方式普遍适用于岩土工程的开挖、矿层开采、隧道开挖建桥系列装配等计算中,在计算进程中,假设要模拟工程的开挖,那么预先将开挖区剖分成一组单元,当在该计算区要开挖时,可杀死这部份单元(Death)来实现开挖成效,所谓杀死单元,程序并非是真正移走“死”单元,相反,程序通过一个很小的因子乘以它们的刚度,此因子的缺省值为10-6,在荷载矢量中,和这些“死”单元相联系的单元荷载也被设置为零,单元的应变也被设置为零,如此处置相当于忽略了开挖部份单元的作用,较好地仿真了实际开挖进程。
与此相似,单元的激活(Birth)是与开挖相反的一种功能,它能使原先休眠的单元复活,亦即原有起作用的单元恢复作用,在模拟锚杆和喷层的支护作历时,能够事前设好锚杆和喷层单元,但让其休眠,即不发挥作用,当需要进行锚杆支护时,激活这部份单元,使其发挥作用,从而达到支护的目的。
单元激活功能能够专门好地模拟岩土工程中的支护施工。
ANSYS分析步骤
ANSYS计算分析分为5个步骤:
成立模型、概念单元类型和单元属性、划分网格、概念边界条件、求解计算及计算结果分析。
计算时先计算初始地应力场,然后再依次计算巷道的开挖和支护。
(1)成立模型
打开ANSYS,在前处置中成立模型,Preprocessor->Modeling->Create->
Keypoints->InActiveCS,如图:
在对话框中以此输入关键点的号码,X,Y,Z的坐标值,然后点击APPLY,再输入下一个关键点的号码和坐标,直到所有的关键点全数输入后点击OK。
Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Lines->StraightLine,画直线。
依次将关键点用直线连接起来。
Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Lines->Arcs,画圆弧。
能够通过3个关键点画弧,也可通过两头的关键点和半径画弧,通过中心和半径画弧和整圆命令画圆弧,如图:
通过线生成面,Preprocessor->Modeling->Create->Areas->Arbitrary->ByLines。
(2)概念单元类型和单元属性
①概念单元类型
Preprocessor->elementtype->add/edit/delete,概念单元类型。
在对话框当选择add添加单元类型,选择单元类型solid,quad4node42,即4节点的平面单元。
添加平面单元Plane42后,点击Options…,在对话框中为平面单元概念坐标系统和平面应力、平面应变、轴对称等分析类型。
由于巷道是平面应变问题,因此咱们选择PlaneStrain项。
若是模拟锚杆支护,能够在单元类型中添加Link2DSpar1单元类型,用来模拟平面锚杆单元。
Preprocessor->RealConstants->Add/Edit/Delete,添加实常数。
在对话框中能够输入link单元的截面积和初始应变。
②概念单元属性
Preprocessor->MaterialProps->MaterialModels,点击后将显现概念材料属性对话框,能够添加材料号,Structure->Liner->Elastic->Isotropic,在对话框中输入弹性模量和泊松比的值。
Structure->Density,在对话框中输入材料的密度值。
Structure->Nonliner->Inelastic->Non-MetalPlasticity->Drucker-Prager在对话框中输入材料的粘聚力和内摩擦角的值。
(3)划分单元
Preprocessor->Meshing->MeshTool,在弹出的MeshTool中能够概念要划分面的类型。
能够选择材料号,单元划分的类型等等。
在MeshTool中能够操纵线段、面及体的划分段数或单元大小,如此能够操纵单元大小的渐变,在划分网格时要注意使网格呈放射状,即越靠近巷道网格越密,在模型边界处网格较稀疏,如此能够在不降低计算精度的情形下大大缩短计算时刻。
划分网格时要尽可能的利用Mapped即映射方式划分,如此划分的网格规整。
Preprocessor->Modeling->Reflect->Areas将划分好网格的模型的一半在Y-Z平面对称,就形成完整的计算模型。
(4)概念边界条件
边界条件分为位移边界条件和荷载边界条件。
Solution->DefineLoads->Apply->Structural->Displacement->OnLines施加位移边界条件。
Solution->DefineLoads->Apply->Structural->Pressure->OnLines施加荷载边界条件。
Solution->DefineLoads->Apply->Structural->Inertia->Gravity,在对话框中输入重力加速度。
(5)求解计算
初始计算前先概念计算分析的类型,Solution->AnalysisType->NewAnalysis,在对话框当选择Static即静态分析。
Solution->AnalysisType->Sol’nControls,在弹出的对话框中能够操纵计算功能,比如能够选择大应变分析,能够操纵计算时刻,选择计算结果,选择方程求解器,非线性操纵,还有高级操纵功能。
确认求解信息后,然后点击Solution->Solve->CurrentLS,点击OK进行计算。
计算时ANSYS会显示计算收敛的曲线,计算完成后会弹出Solutionisdone!
信息。
若是计算不收敛,ANSYS会给犯错误信息,以便用户查找缘故并更正。
图2开挖的巷道
初始应力场计算完成后,要进行隧道开挖计算。
Solution->AnalysisType->Restart即可使程序接着第一步继续计算。
然后选择要开挖的巷道单元,如图2。
在命令窗口中输入:
ekill,all,然后回车,即将巷道开挖,右图为开挖的巷道单元。
若是要添加锚杆单元,能够Preprocessor->Modeling->Create->Element->ElemAttribute,为锚杆单元选择单元属性,然后Preprocessor->Modeling->Create->
Elements->AutoNumbered->ThruNodes。
由平面单元的节点生成锚杆单元。
开挖巷道后要施加锚杆支护和喷层支护,也要采纳混凝土反底拱支护,喷层支护和混凝土反底拱支护采纳改变单元参数的方式来实现。
即选中喷层单元,然后将单元的属性改变成喷层的力学参数。
(6)计算结果分析
计算以北大巷为例,本次数值计算的目的是:
模拟北大巷开挖后,在锚喷、锚注和反底拱复合支护条件下围岩的应力和变形特点。
计算完成后ANSYS能够绘制应力云图、位移云图、位移矢量图和塑性区图。
下面别离给出了部份计算结果图:
图3~图6,别离为北大巷在单纯锚喷支护条件下的水平应力、垂应力、剪应力和塑性应变图。
由应力图能够看出,在巷道周边,水平应力和垂向应力均有拉应力显现,但范围不大,最大水平拉应力为,最大水平压应力为,最大垂向拉应力为,最大垂直压应力为,剪应力的最大值,围岩在必然深度内产生塑性应变。
顶板下沉、底臌和两帮移近量有限元计算结果:
最大底臌量为,顶板下沉量为,顶底板移近量为,两帮移近量为。
那个变形量,是巷道开挖支护变形稳固后的最终变形值。
图7~图10,别离为北大巷在“锚喷+锚注”支护条件下的水平应力、垂应力、剪应力和塑性应变图。
由应力图能够看出,在巷道周边,水平应力和垂向应力均有拉应力显现,但范围不大,最大水平拉应力为,最大水平压应力为,最大垂向拉应力为,最大垂直压应力为,剪应力的最大值,围岩在必然深度内产生塑性应变。
顶板下沉、底臌和两帮移近量有限元计算结果:
最大底臌量为,顶板下沉量为,顶底板移近量为13cm,两帮移近量为。
顶底板移近量和两帮移近量都远远小于单纯锚喷时的巷道变形量。
在锚喷支护的基础上,再实施锚注支护,复合支护后围岩的应力集中和收敛变形都取得了较好地操纵,这是由于锚注支护使围岩由松散结构转化为胶结结构,被加固了岩体提高了自身的承载能力,从而改善了应力散布状态,减缓了围岩的应力集中程度。
反底拱支护能够有效地抑制底臌,使得巷道趋向稳固。
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