Udec计算算例.docx
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Udec计算算例
1.3UDEC算例
1.3.1工程概况
某隧道位于一包含高角度连续节理岩体内,节理倾角为50度,平均间距为
7m,隧道为一半径为9m的圆形隧道。
贯穿于开挖面内的一垂直断层,在隧道拱
顶形成了一个三角楔形体。
本算例使用UDEC的结构单元逻辑来模拟喷射混凝土和锚杆联合支护的圆
形隧道开挖问题。
1.3.2构建模型
隧道埋深
451m,为半径
9m
圆形隧道,本次计算模型左右边界取
41m,隧
道至上下边界也取
41m。
总的来说,模型长
100m,宽
100m。
计算模型如图
1-1
所示。
图1-1UDEC计算模型
1.3.3计算参数
在包含高倾角节理和垂直断层的岩体内进行圆形开挖的UDEC模型岩体、
节理和断层参数如下所示:
表1-1
完整岩石物理力学参数
密度Dens
体积模量K
剪切模量G
(kg/m3)
(Gpa)
(Gpa)
2500
1.5
0.6
表1-2节理、断层物理力学参数
法向刚度KN
切向刚度KS
抗拉强度jten
粘聚力c
摩擦角φ
(Gpa/m)
(Gpa/m)
(Pa)
(Pa)
(o)
2
2
100
100
10
表1-3喷射混凝土物理力学参数
密度dens
弹性模量
泊松比ν
拉伸屈服强度
残余屈服强度
抗压屈服强度
(Kg/m3)
E/Gpa
(Mpa)
(Mpa)
(Mpa)
2500
21
0.15
2
1
4
表1-4岩体和喷射混凝土接触面物理力学参数
法向刚度KN
切向刚度KS
抗拉强度jten
粘聚力c
摩擦角φ
(Gpa/m)
(Gpa/m)
(Mpa)
(Mpa)
(o)
1
1
1
1
45
表1-5
锚杆物理力学参数
锚杆模量
极限抗拉强度
浆液粘结刚度
浆液黏聚强度
(Gpa)
(MN)
(GN/m/m)
(MN/m)
100
10
1
1
作为演示的目的,隧道开挖和支护是瞬时发生的。
本算例共两种支护分析被
计算:
第一,只施加喷射混凝土衬砌;第二,喷射混凝土和锚杆联合提供支护。
为了在第二种支护情况分析中可以更清晰的看到锚杆提供的支护,算例采用
喷射混凝土的抗压强度被设置成一个很低的值,且厚度仅取为10cm。
1.3.4模拟步骤
1.建立模型
在UDEC中输入以下命令可建立隧道结构模型及边界。
如图
1-2所示。
new
;刷新
UDEC
窗口,重新调用一个新程序
round0.1
;块与块之间的圆角半径,必须小于块体最小边的
1/2
block-50,-50-50,5050,5050,-50
;建立模型框架
jset-50,0100,00,07,0
;设置节理
crack-6-50-650
;设置断层
tunnel(0,0)9,16
;模拟开挖隧道边界
delrangearea0.08
;删除面积小于0.08的块体
genedge10
;自动划分单元,单元最大边长不超过10
图1-2初步模型图
2.设置单元属性和材料特征
在UDEC中输入如下命令设置单元属性和材料特征。
propmat1de2500k1.5e9g0.6e9
;定义围岩密度、体积模量、剪切模量(软件默认的是
线弹性模型,可以通过
change命令改变本构关系)
propjmat=1jkn2e9jks1e9&
;定义节理与断层的法向刚度、切向刚度、摩擦角、黏
jfric10jcoh100jtens100
聚力以及抗拉强度(默认节理面遵循摩尔库伦准则计算,
可以通过change命令设置)
3.施加约束及荷载
(1)施加约束条件
输入如下命令对模型施加约束条件,对围岩左侧和右侧节点,设置约束条件
为UX被约束,围岩底部节点,设置约束为UY被约束。
如图1-3、4所示。
boundstress00-10e6rangeyran4951
;上侧边界施加
400m埋深等效荷载
boundyvel=0rangeyran-51-49
;约束下边界
boundxvel=0rangexran-51-49
;约束左侧边界
boundxvel=0rangexran4951;约束右侧边界
图1-3左右侧边界施加约束
图1-4下侧边界施加约束
(2)施加自重
设置Y方向的加速度10m/s2,生成Y轴反方向的惯性力。
setgrav0-10;设置重力加速度
1.3.5计算结果分析
1.求解初始应力场
岩体在自重应力下会产生初始应力场,这时还未开挖,未施加支护结构,求
解得到初始应力场。
相应的命令如下:
solverat1e-5;求解
savesupp1.sav;保存(默认为安装目录,可以设置保存路径)
得到的初始应力场(图1-5)和初始位移场(图1-6)如下所示,输入命令
如下:
plblstress;显示围岩应力
plydispfill;显示Y方向位移
图1-5初始围岩应力
图1-6初始位移等值线
2.求解开挖并施加喷射混凝土衬砌支护
(1)杀死开挖内部围岩,施加支护单元。
输入命令如下:
restsupp1.sav;读取文件supp1.sav
resettimedisphist
;重置计算步、位移、历史
histydisp0,5
;设置拱顶位移监测点
deleterangeannulus(0,0)09
;开挖内部围岩
structgenxc0yc0npoin36mat2thick0.1fang0theta180
;在隧道上半部分施加梁单元
用以模拟喷射混凝土
structchangearea0.2inertia0.025
;设置喷射混凝土截面积、惯
性矩
propmat2st_dens2500st_prat0.15st_ymod21e9
;设置喷射混凝土密度、泊松
propmat2st_ycomp4e6st_yield2e6st_yresid1e6
比、弹性模量、抗压强度、抗
拉强度、残余强度
propmat2if_kn1e9if_ks1e9if_fric45if_ten1e6if_coh1e6
;设置喷射混凝土与围岩接触
面参数
(2)求解及结果输出
求解及结果输出命令如下。
计算结果如图1-7~1-11所示。
step4920
;求解(与solve命令类似,控制标准不同)
savesupp2.sav
;保存计算结果
plblstress
;显示围岩应力
plydispfill
;显示Y方向位移
plhist1
;显示记录点拱顶沉降曲线
plblstructaxialfillstructlmag
;显示喷射混凝土轴力
plblstructmomentfillstructlmag
;显示喷射混凝土弯矩
图1-7围岩应力
图1-8围岩位移
图1-9拱顶沉降曲线
图1-10喷射混凝土轴力
图1-11喷射混凝土弯矩
3.求解开挖并施加喷射混凝土衬砌与锚杆联合支护
(1)杀死开挖内部围岩,施加喷射混凝土与锚杆支护单元。
输入命令如下:
restsupp1.sav
;读取文件supp1.sav
resettimedisphist
;重置计算步、位移、历史
histydisp0,5
;设置拱顶位移监测点
deleterangeannulus(0,0)09
;开挖内部围岩
structgenxc0yc0npoin18mat2thick0.1fang0theta180
;在隧道上半部分施加梁单元
用以模拟喷射混凝土
structchangearea0.2inertia0.025
;设置喷射混凝土截面积、惯
propmat2st_dens2500st_prat0.15st_ymod21e9
性矩
;设置喷射混凝土密度、泊松
propmat2st_ycomp4e6st_yield2e6st_yresid1e6
比、弹性模量、抗压强度、抗
propmat2if_kn1e9if_ks1e9if_fric45if_ten1e6if_coh1e6
拉强度、残余强度
;设置喷射混凝土与围岩接触
cable1.74258.76555.471928.41482030.0013connectcable-1.73928.7409-5.746928.33522030.0013connectcable-4.94497.4006-16.076424.01652030.0013connect
面参数
;施加锚杆,并与梁单元连接
propmat3cb_dens7500cb_ymod100e9&cb_yield1e7cb_ycomp1e10
;赋予锚杆参数
propmat3cb_kb1e9cb_sb1e6
;锚杆注浆浆液参数
(2)求解及结果输出
求解及结果输出命令如下。
计算结果如图1-12~1-17所示。
step9920
;求解(与solve命令类似,控制标准不同)
savesupp3.sav
;保存计算结果
plblstress
;显示围岩应力
plydispfill
;显示Y方向位移
plhist1
;显示记录点拱顶沉降曲线
plblstructaxialfillstructlmag
;显示喷射混凝土轴力
plblstructmomentfillstructlmag
;显示喷射混凝土弯矩
plblcableaxialfillcablelmag
;显示锚杆轴力
图1-12围岩应力
图1-13围岩位移
图1-14拱顶沉降曲线
图1-15喷射混凝土轴力
图1-16喷射混凝土弯矩
图1-17锚杆轴力
第一种情况,即只有喷射混凝土单独支护的工况,喷射混凝土被安置在隧道
上半部,在开挖隧道之前,模型首先达到平衡状态,然后隧道块体被删除,设置
衬砌并继续进行计算,隧道拱顶一点竖向位移被记录,图1-9的历史记录不难看
出,拱顶位移先是逐渐趋于收敛,但后来突然急剧增大,显示出隧道顶部正在坍
塌。
在第二种情况,锚杆和喷射混凝土一起被设置在拱顶,且锚杆与衬砌连接,
使得二者形成联合支护。
计算结果可以看出,顶部楔形体在移动大约0.435m后
位移趋于收敛。
图1-14显示了拱顶沉降的历史记录。
另外,通过对比两种工况
的计算结果,我们也不难看出,工况二的围岩应力、喷射混凝土轴力、喷射混凝
土弯矩都比工况一小得多,充分体现锚杆提供的支护作用。
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