(完整word版)Udec计算算例

1.3 UDEC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1-1 UDEC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 （kg/m3）体积模量K

（Gpa）

剪切模量G

（Gpa）

2500 1.5 0.6

表1-2 节理、断层物理力学参数

表1-3 喷射混凝土物理力学参数

表1-4 岩体和喷射混凝土接触面物理力学参数

表1-5 锚杆物理力学参数

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

round 0.1

block -50,-50 -50,50 50,50 50,-50 jset -50,0 100,0 0,0 7,0 ；刷新UDEC窗口，重新调用一个新程序

；块与块之间的圆角半径，必须小于块体最小边的1/2 ；建立模型框架

；设置节理

crack -6 -50 -6 50 tunnel (0,0) 9,16 del range area 0.08 gen edge 10 ；设置断层

；模拟开挖隧道边界

；删除面积小于0.08的块体

；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。

prop mat 1 de 2500 k 1.5e9 g 0.6e9

prop jmat=1 jkn 2e9 jks 1e9 &

jfric 10 jcoh 100 jtens 100 ；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）

；定义节理与断层的法向刚度、切向刚度、摩擦角、黏聚力以及抗拉强度（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。

bound stress 0 0 -10e6 range yran 49 51 bound yvel=0 range yran -51 -49 bound xvel=0 range xran -51 -49 ；上侧边界施加400m埋深等效荷载；约束下边界

；约束左侧边界

bound xvel=0 range xran 49 51 ；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。

set grav 0 -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：

solve rat 1e-5 save supp1.sav ；求解

；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：

pl bl stress pl ydisp fill ；显示围岩应力

；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：

rest supp1.sav ；读取文件supp1.sav

reset time disp hist

hist ydisp 0,5

delete range annulus (0,0) 0 9

struct gen xc 0 yc 0 npoin 36 mat 2 thick 0.1 fang 0 theta 180 struct change area 0.2 inertia 0.025

prop mat 2 st_dens 2500 st_prat 0.15 st_ymod 21e9

prop mat 2 st_ycomp 4e6 st_yield 2e6 st_yresid 1e6

prop mat 2 if_kn 1e9 if_ks 1e9 if_fric 45 if_ten 1e6 if_coh 1e6 ；重置计算步、位移、历史

；设置拱顶位移监测点

；开挖内部围岩

；在隧道上半部分施加梁单元用以模拟喷射混凝土

；设置喷射混凝土截面积、惯性矩

；设置喷射混凝土密度、泊松比、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、残余强度

；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。

step 4920

save supp2.sav

pl bl stress

pl ydisp fill

pl hist 1

pl bl struct axial fill struct lmag

pl bl struct moment fill struct lmag ；求解（与solve命令类似，控制标准不同）；保存计算结果

；显示围岩应力

；显示Y方向位移

；显示记录点拱顶沉降曲线

；显示喷射混凝土轴力

；显示喷射混凝土弯矩