土木工程计算机软件应用课程报告2015-参考

中南大学土木工程计算机软件应用

试卷（A）考试(考查)答卷

学生姓名：学号：指导教师：

第1章MIDAS/GTS简介

第2章 隧道开挖数值模拟

2.1 数值模拟内容和目的

为了评价隧道施工过程中围岩和支护结构的变形与受力状态，利用MIDAS/GTS 进行数值模拟，检算衬砌安全系数，评判围岩稳定性，为设计和施工方案的确定提供理论支持。

本隧道为两车道高速公路隧道，支护结构由初期支护和二次衬砌组成。初期支护为***cm 厚C20喷射混凝土，二次衬砌为**cm 厚C25模筑素混凝土。选取计算断面围岩为Ⅴ级，埋深25m 。隧道开挖采用全断面法。衬砌内轮廓如图2。

2.2 模型建立与参数选取

采用平面应变模型进行分析，为保证模型边界不受隧道开挖的影响，沿模型X 方向取100m ，Y 方向取70m ，左右两边界限制水平向位移，底部边界限制水平和竖直向位移。地表为自由地表。运用FLAC 2D 进行计算分析。土体采用实体单元模拟，初期支护和二次衬砌均采用初衬（liner ）单元模拟。土体本构关系采用摩尔—库伦本构模型，结构单元本构关系采用弹性本构模型。计算模型尺寸与边界条件如图3，数值计算参数按表1取值。

图2 隧道内轮廓图（单位：cm

）

图3 数值计算模型图

表1 计算参数表

2.3 数值模拟步骤

隧道按全断面开挖，施工模拟步骤如下：

（1）初始地应力平衡

（2）全断面开挖隧道，应力释放30%，计算平衡

（3）施作初期支护应力释放30%，计算平衡

（4）施作二次衬砌应力释放40%，计算平衡

其中，应力释放采用施加虚拟支撑力的方法来实现。

图4 应力释放虚拟支撑力施加步骤

第3章模拟结果分析与讨论

3.1

y方向应力云图、y

由图5

作用下，模型最终达到了平衡状态。

由图6可知，在自重作用下，y方向的应力由地表至模型底部呈线性增加。

3.2

对

由图

大，但随着计算时步的增加，最终又重新趋近于零。这说明，随着隧道的开挖，围岩原本的平

3.3 施作初期支护，应力释放30%

不圆顺导致的应力集中。

第4章 衬砌安全系数求解

4.1 衬砌截面强度检算

为了保证结构安全，采用破损阶段法对衬砌结构进行安全系数验算。

（1）当00.2e h ≤时，对于隧道混凝土和石砌体结构衬砌，由抗压强度控制其承载能力，因此按照抗压强度进行验算，其具体计算公式为：

a KN R bh φα≤（4—1） 式中0e —轴向力偏心矩，0/e M N =

K —混凝土和石砌结构安全系数，其取值见表2

N —轴向力

a R —混凝土或砌体的抗压极限强度，参照有关规范选取

,b h —截面的宽度和厚度（通常b 取1m 进行计算）

φ—构件的纵向弯曲系数，对隧道衬砌拱圈及墙背紧密回填的边墙可取1φ=

α—轴向力偏心影响系数，其值为：01 1.5/e h α=-

表2 混凝土和石砌结构强度安全系数

（2）当00.2e h >时，从抗裂要求出发，由截面抗拉强度控制其承载能力，其计算公式为：

1.7561l R bh

KN e h

φ

≤-（4—2）

l R —混凝土的抗拉极限强度，其他符号意义同前。

4.2 衬砌安全系数求解

这里仅进行二次衬砌结构的安全系数验算，初期支护的验算与此类似。验算时选取特征点进行安全系数求解，判断是否满足规范要求。特征点及衬砌截面内力值见表3。

表3 特征点位置及衬砌截面内力值

A 截面安全系数求解： （1）计算偏心矩

3/8.510m o e M N -==⨯

（2）判断0e 和0.2h 的关系，决定用4—1式或4—2式进行验算

0.45m h =00.20.20.450.09m e h <=⨯=所以采用5—1式进行验算

（3）查阅规范得19MPa a R =，1φ=，01 1.5/0.97e h α=-=，1m b =，0.45m h =

27.3 2.4a R bh K N φα==>

因此A 截面安全系数满足规范要求。

类似于A 截面计算可知，B 、C 、F 截面均采用4—1式进行计算，得出其安全系数分别为24.4、19.8、34.3。均大于2.4，满足规范要求。

D 截面安全系数求解： （1）计算偏心距

0/0.28m e M N ==

（2）判断0e 和0.2h ，决定用4—1式或4—2式进行验算

0.45m h =00.20.20.450.09m e h >=⨯=所以采用4—2式进行验算

（3）查阅规范得2MPa l R =，1φ=，1m b =，0.45m h =

01.75 1.5 3.661l R bh K e N h φ==<⎛⎫- ⎪

⎝⎭

因此D 截面安全系数不满足规范要求。类似于D 截面计算可知，E 截面采用4—2式进行计算，得出其安全系数为8.0，大于3.6满足规范要求。

综合各截面安全系数计算结果，衬砌并不是任一截面均满足安全检算要求，因此应修改衬砌尺寸或是配筋，重新计算，直到满足要求为止。