中南大学隧道工程flac2d课程作业答案培训讲学.docx
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中南大学隧道工程flac2d课程作业答案培训讲学
1、FLAC2D简介
FLAC是一个用于工程力学计算的二维显示有限差分程序。
最早由岩土和采矿工程师开发，不过目前应用范围广泛。
适用于模拟土体、岩石或其他弹塑性材料。
材料可以由单元以及由网格区域代替，网格区域可形成任意形状以适应模型的要求。
单元的力学行为由预先设定的线性或非线性应力/应变关系确定。
FLAC采用的显式拉格朗日差分法和混合离散技术使得材料的塑性变形甚至流动破坏的模拟变得容易且精确。
由于计算过程中不产生刚度矩阵，二维计算规模可变得庞大且对内存要求不高。
1.1FLAC的特点:
（1）界面单元能模拟特定面上的滑动和分离；（结构面、断层）
（2）平面应变、平面应力和轴对称问题；
（3）能处理流固耦合问题；
（4）结构单元可模拟多种结构形式（如隧道衬砌、锚杆、桩基等）；
（5）动力问题；（地震、冲击、运动的荷载）
（6）粘弹塑性问题；
1.2FLAC2D优劣势:
与有限单元法的对比:
优势：
（1）混合离散技术更适应于模拟塑性变形和塑性破坏；
（2）计算过程中引入运动方程，使得数值计算的稳定性增强；
（3）显式的求解方式使得模拟非线性问题更加高效；
（4）对本构模型的适应性强，而有限元方法对不同本构模型须采取的不同求解方式；
（5）网格以行、列的方式排列更有利于数据提取和分析；
劣势：
（1）对于线性问题的模拟相比有限元方法稍慢；
（2）求解速度与模型的最大和最小周期之比成正比，对于特定问题的求解效率低。
2、工程概况
依据图1给出的Ⅴ级围岩洞口段隧道衬砌支护结构图，参考图2中示意的数值模型尺寸和边界条件，进行隧道开挖围岩稳定性分析和支护结构强度检算（不考虑系统锚杆）：
。
图1Ⅴ级围岩洞口段隧道衬砌支护结构图
图2数值模型尺寸和边界条件
2.1计算工况（推荐）：
（1）自重应力平衡；
（2）全断面开挖隧道，应力释放30%，计算平衡；
（3）施做初期支护，应力释放30%，计算平衡；
（4）施做二次衬砌，应力释放剩余的40%，计算平衡。
2.2计算参数可参考（但不限于）表1。
表1数值计算参数
材料名称
计算参数
Ⅴ级围岩
E=1.30GPaγ=22KN/m3μ=0.4c=100KPa
φ=25°σt=10KPa
C20喷射混凝土
E=2.43e10Paμ=0.2
C25钢筋混凝土
E=2.95e10Paμ=0.2
表中：
E—弹性模量；γ—容重；μ—泊松比；c—粘结力；φ—内摩擦角；σt—岩体抗拉强度。
说明：
隧道采用新奥法施工，其中Ⅴ级围岩段采用全断面开挖施工方法，预留变形量13cm。
3、初步模型建立与数值计算
3.1模型建立
根据工程要求在AUTOCAD中根据一定的模型关系画出模型简图（图3-1-1）并记录得到各控制点的坐标记录如下表3-1-1：
表3-1-1横截面控制点坐标
控制点
X坐标
Y坐标
A
4.9384
0.78217
B
-4.9384
0.78217
C
-4.5104
-2.7544
D
4.5104
-2.7544
O
0
0
O1
-1.4815
-0.2347
O2
1.4815
-0.2347
O3
0
15.1791
图3-1-1隧道横截面模型简图
（O3的坐标由于图幅的限制图没显示）
根据以上坐标及洞口附近Ⅴ级围岩段地形，选取其中一个隧道断面建立数值计算模型，本计算建立的数值模型，在FLAC2D中划分100X80个单元网格，具体模型如图所示：
图3.1.1隧道及其周围岩体的截面图
3.2计算参数
根据隧道围岩勘察测量情况和支护结构设计材料特性，本计算采用的参数具体见表3-2-1。
表3-2-1数值计算参数
材料名称
计算参数
Ⅴ级围岩
E=1.30GPaγ=22KN/m3μ=0.4c=100KPa
φ=25°σt=10KPa
C20喷射混凝土
E=2.43e10Paμ=0.2
C25钢筋混凝土
E=2.95e10Paμ=0.2
表中：
E—弹性模量；γ—容重；μ—泊松比；c—粘结力；φ—内摩擦角；σt—岩体抗拉强度。
初期支护C20喷射混凝土厚度25cm，二次衬砌C25钢筋混凝土厚度45cm。
3.3施工工序
隧道采用新奥法施工中的全断面开挖施工方法，具体施工工序：
①全断面开挖隧道；
②施做初期支护；
③施做二次衬砌；
4、应力变形模型建立与计算分析
4.1自重应力平衡
利用FLAC2D模拟计算计算范围内山体在隧道开挖前在自重作用下的应力平衡。
数值计算结果如下：
图4-1-1自重应力平衡竖向应力分布
图4-1-2自重应力平衡水平位移分布
图4-1-3自重应力平衡应力分布
图4-1-4自重应力平衡竖向位移分布
4.2全断面开挖隧道的后平衡计算，考虑应力释放30%，数值计算结果如下图：
图4-2-1全断面开挖应力释放30%不平衡应力分布
图4-2-2全断面开挖应力释放30%竖向位移分布
图4-2-3全断面开挖应力释放30%竖向应力分布
图4-2-4全断面开挖应力释放30%水平方向位移分布
4.3施做初期支护的平衡计算（考虑应力释放30%）数值计算如下图：
图4-3-1初衬应力释放30%剪力分布图
图4-3-2初衬应力释放30%竖向不平衡力分布图
图4-3-3初衬应力释放30%竖向位移云
图4-3-4初衬应力释放30%竖向应力云
图4-3-5初衬应力释放30%水平方向位移分布图
图4-3-6初衬应力释放30%弯矩分布图
图4-3-7初衬应力释放30%轴力分布图
4.4施做二次衬砌的平衡计算（考虑应力释放30%）数值计算如下图：
图4-4-1二衬应力全部释放剪力分布图
图4-4-2二衬应力全部释放竖向位移云图
图4-4-3二衬应力全部释放竖向应力云图
图4-4-4二衬应力全部释放水平方向位移分布图
图4-4-5二衬应力全部释放弯矩分布图
图4-4-6二衬应力全部释放轴力分布图
图4-4-7二衬应力全部释放不平衡力分布图
4.5各阶段计算分析
（1）对应力的分析：
从自重应力平衡的图4-1-4可以看出看出地表竖向位移最大，随着深度的增加，竖向位移不断减小，符合实际情况，开挖应力释放30%后图4-2-3的竖向位移分布图可以看出应力在隧道的断面边缘比较集中，但是总体任然是随深度增加，当再次释放30%时图4-3-4，应力的变化不是那么明显，最后加二次衬砌后图4-4-4，应力在隧道边缘集中的现象更加明显，这与实际情况是相符合的。
（2）对位移的分析：
开挖后从竖向位移分布图看出图4-2-2，上部下沉，下部溶蚀，水平方向的位移不明显图4-2-4。
当施做初期支护可以观察到竖向的位移发生明显的变化，且偏于地基有开挖那方，水平方向的位移仍然没有很明显的变化，当施做二次衬砌后竖向隧道基本可以与外岩体达到平衡见图4-4-4，水平方向变化不明显。
（3）对轴力、弯矩、剪力的分析：
将初衬和二衬后得到的三者最大值及发生位置整理如下表：
支护类型
内力
最大值
发生位置
初衬
轴力
489.8KN
两侧边墙处
剪力
75.9KN
右侧仰拱与边墙连接处
弯矩
-24.69KN·M
右侧仰拱与边墙连接处
二衬
轴力
795.0KN
两侧边墙处
剪力
78.9KN
拱部右上角
弯矩
-47.8KN·M
拱部右上角
初衬后轴力出现上拱大，下部小，在右下角出现较大的变化，剪力左侧出现了最大值，其弯矩在两曲线交点处是最大，这与模型的建立中交点处没进行导致应力在此集中有关，二衬后轴力有了明显的增大，且分布比较均匀说明二衬达到了平横外岩体力作用，但是弯矩的变化曲线还是比较尖锐，这也是与连接点没平滑处理有关，此时剪力的分布已经趋于平缓，说明下部结构比较稳定。
（4）其它参考因数的分析：
1.最大不平衡应力：
图4-3-2初衬应力全部释放不平衡力分布图到图4-4-9衬应力全部释放不平衡力分布图可以看出。
随计算的进行，最大不平衡力的大小逐渐的减小，虽然有些小区域的有突增现象但是随着后期支护的经行又趋于减小，且突变值一直小于设置的容许值。
5、分析的主要结论
本文利用FLAC2D软件建立模型来模拟隧道左线洞口附近Ⅴ级围岩段开挖支护过程，根据数值计算结果分析隧道自重应力平衡、全断面开挖隧道、施做初期支护和施做二次衬砌四四个过程中围岩和支护结构的变形、受力等情况，从得到的试验数据来看，基本达到了施工的要求，隧道的各向应力趋于平衡，但是应力集中的现象还是比较的明显，这主要是没对过渡处经行平滑处理的原因，理论上说来隧道的模型时有一定的可行性，但是其中对很多条件进行了优化处理，故在实际施工中因考虑跟多的参数影响。
六、命令流
config
grid100,50
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genarc-1.8478,-0.76545.227,-4.550.32843
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marki46j21
marki56j21
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marki45j29
genline0.0,25.050.618416,-0.14473629
modelnullregion8643
group'null'region8643
groupdelete'null'
group'User:
weiyan'notnull
modelmohrnotnullgroup'User:
weiyan'
propdensity=2200.0bulk=2.16667E9shear=4.64286E8cohesion=100000.0friction=25.0dilation=0.0tension=10000.0notnullgroup'User:
weiyan'
fixxi1
fixxi101j126
fixyj1
setgravity=9.81
history999unbalanced
solveelastic
callms.fis
initialxdisp0ydisp0
initialxvel0yvel0
initialxdisp0ydisp0
initialxvel0yvel0
modelnullregion4928
group'null'region4928
groupdelete'null'
applyxvelocity0.0longfrom52,32to52,32
applyyvelocity0.0longfrom52,32to52,32
step1
setninc=1000rstart=1.0rstop=0.7
relax_ini
setib_ap=45ie_ap=57jb_ap=21je_ap=32
apply_rf
histrelax_hist
set=large
solve
applyremovemechlongfrom51,32to51,32
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是□否□structnode13grid45,27
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送人□有实用价值□装饰□structnode16grid45,24
大学生购买力有限，即决定了要求商品能价廉物美，但更注重的还是在购买过程中对精神文化爱好的追求，满足心理需求。
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（一）大学生的消费购买能力分析structnode23grid49,21
但这些困难并非能够否定我们创业项目的可行性。
盖茨是由一个普通退学学生变成了世界首富，李嘉诚是由一个穷人变成了华人富豪第一人，他们的成功表述一个简单的道理：
如果你有能力，你可以从身无分文变成超级富豪；如果你无能，你也可以从超级富豪变成穷光蛋。
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2、你大部分的零用钱用于何处？
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2、你大部分的零用钱用于何处？
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加拿大ｂｅａｄｗｏｒｋｓ公司就是根据年轻女性要充分展现自己个性的需求，将世界各地的珠类饰品汇集于“碧芝自制饰品店”内，由消费者自选、自组、自制，这样就能在每个消费者亲手制作、充分发挥她们的艺术想像力的基础上，创作出作品，达到展现个性的效果structnode34grid57,24
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据统计，上海国民经济持续快速增长。
03全年就实现国内生产总值（GDP）6250.81亿元，按可比价格计算，比上年增长11.8%。
第三产业的增速受非典影响而有所减缓，全年实现增加值3027.11亿元，增长8%，增幅比上年下降2个百分点。
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9、如果你亲戚朋友送你一件DIY手工艺制品你是否会喜欢？
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