隧道力学作业Ansys数值模拟不同埋深隧道的围岩应力.docx
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隧道力学作业Ansys数值模拟不同埋深隧道的围岩应力
Ansys数值模拟不同埋深隧道的围岩应力
1.理论基础
围岩在隧道开挖过程中会经历三种应力状态，依次为初始应力状态、二次应力状态和三次应力状态。
（1）初始应力状态
初始应力状态，又称一次应力状态，泛指隧道开挖前的岩体的初始静力场，它的形成与岩体的构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有密切关系。
（2）二次应力状态
隧道开挖后，导致围岩应力重新分布，此时称为二次应力状态。
（3）三次应力状态
隧道开挖后围岩应力进行了重分布，当修筑衬砌并达到稳定时围岩应力状态称之为三次应力状态。
2.计算实例
现对一平地进行开挖，开挖半径5m（拱形），拟定三种不同埋深
13.25m、30m50m利用ansys数值模拟山体的原始应力场以及开挖
后不加支护的应力状态。
围岩属性见下表：
EX（弹模）
PRXY（泊松比）
DEN（围岩容重）
粘聚力
内摩擦角
5勺09
0.35
1900
50“
50“
3.输出结果
（1）
初始地应力场
HOOALSOLUTION
STEN1
SUB7
TIME=1
SI（AVG）
IMX=,008403
SEN=-593420
SKX—1573
-59342D-461B99-330377-193055-67334
-527660-396138-254616-13309^-1573
图1.1第一主应力状态
ElODAL,SOLUTiaN
5TEP=1
SUB-1
TIME=1
S3（AVGJ
rm-.000403
SMN=-・138E4-07
SHX=-5549
■T?
17兀-4ei2SS
-Classi
OCT102013
23:
38:
20
■1思卩站
.i33E**27
图1.2第三主应力状态
T-TCTOR
STEP=1
SUB-1
TIME=1
S
PRIN1
PRIN3
AN
OCT102013
23:
39:
45
（2）拱形隧道、13.25m埋深
JODAISOLUTION
-584916-^^9932-3149^0-179964-449S1
-517^2^-362^^0-2^7^56-112^7222511
图2.1第一主应力状态
NOEALSOLUTION
STEP=1
SUE=1
TIME=1
S3（AVG）
DMX*.008549
SW=-.137E+O7郦—6006
MX
OCT10201323:
40:
24
f1QCE+DT
-^€1530
-157111
„13!
£*（!
■?
-9mas
-ciows
-S0931«
«00«
图2.2第三主应力状态
1
VECTOR
5TEB=1
SUB=1
AN
OCT102013
23:
40:
3&
TIME=1
PRIN1
PRIN3
-
（3）
拱形隧道、30m埋深
NODALSOLUTION
S1EP=L
SUB=1
T1ME=1
51（AVG）
EKX-.008729
SMN*-537930
SEX=39691
OCT102013
23:
55:
40
-587930-礬昶59-30S93S-1€951£-30045
-518194-376723-239252-9978139691
图3.1第一主应力状态
ElODALSOLUTION
5TEP=1
5CTB-1
TIME=1
S3（A7G）
m-.OOS729
SMN=-,174E+07
SMX=-13090
MX
OCT102013
23sS5:
58
-.lasE+o*?
-r155E+Q7--llffi+Cll
-t^0997
-9Bires4
-laoao
图3.2第三主应力状态
VECTOR
STEP=1
TIW£=1
S
AN
OCT102013
23:
56:
29
PRIM1
FRIN3
图3.3应力矢量图
（4）拱形隧道、50m埋深
NODALSOLUIION
STE>1
3UB=1
TIME=1
21（AW）
DMX=+0089«
SMN=-€54530
SMK=116£€7
OCT11201300:
13:
09
-654530
-4S3109
-140265
31156
-568819
-397398
-225976-5^554
-siiea?
116867
图4.1第一主应力状态
NODALSOLIHION
STEPwl
SUB=1
OCT112013
00:
16:
29
TIME=1
S3（AV&）
DHX=.00896
SHN—.263E+07
SMXS-21S67
.-B.2flSE*G7-V1JI7E+O,?
fl9473
234E+a7-.176E+07-.11BE+D7
-aioaea
-CflD.171
-215£7
图4.2第三主应力状态
VECTOR
5TEP-1
5DB=1
TU£E=1
5
PRIN1
ERI1I3
AN
OCT112013
00:
1^:
17
4.总结
随着隧道的日益增多,隧道的绝对埋深越来越大,与隧道埋深有关的问题也越来越多，此次作业正是通过ansys模拟不同埋深隧道的应力状态情况。
由图可得，在原始应力状态下，围岩应力呈层状分布。
开挖过后，坑道附近围岩应力开始出现明显变化，13m埋深的时候，顶部和底部都出现了拉应力，30m埋深和50m埋深的时候拉应力逐渐消失，呈受压状态。
同时随着埋深的增加，隧道顶部、底部、侧壁所受的压应力也在增加，同时应该意识到，侧壁处在较大的压应力作用下是造成侧壁剪切破坏或岩爆的主要原因之一，而且，常常是整个隧道丧失稳定的主要原因，在设计中我们应该予以足够的重视。
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