支护特征曲线

西南交通大学
隧道力学（作业3）
Flac3d求解支护特征曲线
学号: 12011079
姓名: 郭瑞
专业: 隧道工程
指导老师: 仇文革教授
2012 年 12月
目录
1问题分析 (2)
1.1围岩特性曲线定义..................................................................................... - 2 -
1.2求解方法..................................................................................................... - 2 - 2建模及计算............................................................................................................ - 2 -
2.1模型建立..................................................................................................... - 2 -
2.2命令流及解释............................................................................................. - 3 - 3计算结果及分析.................................................................................................... - 6 -
3.1数据处理..................................................................................................... - 6 -
3.2围岩特征曲线绘制..................................................................................... - 7 -
3.3结果分析..................................................................................................... - 8 -
1问题分析
1.1支护特性曲线定义
围岩的特征曲线，亦称围岩的支护需求取信。

它形象得到表明了围岩在硐室周边所需提供的支护阻力及与其周边位移的关系。

1.2求解方法
同一隧道埋深，同一围岩级别改变衬砌的强度（修改体积模量及剪切模量）分别求解相应强度下隧道收敛平衡时的拱顶竖直位移和应力，根据所得数据绘制该围岩级别下相应埋深的围岩特征曲线。

2建模及计算
2.1模型建立
图2.1-1
如图2.1-1所示，圆形隧道外径为6m，衬砌厚度为0.2m，考虑隧道影响范围，模型宽度为50m高度为50m。

围岩强度通过定义材料的相关参数来建模，根据计算出埋深25m下不同衬砌强度产生的衬砌拱顶的竖向应力和竖向位移，将不同的弹性体积模量和剪切模量分别作用在模型上求解。

C20混凝土弹性模量为2.25*1010
取混凝土的泊松比为v=0.2
体积模量K=E/3(1-2v)
切边模量G=E/2(1+v)
弹性模量E 体积弹性模量K 剪切模量G
E1 2.25*1010 1.25*10100.9375*1010
E2 3.0*1010 1.6667*1010 1.2500*1010
E3 3.5*1010 1.9444*1010 1.4583*1010
E4 4.0*1010 2.2222*1010 1.6667*1010
E5 4.5*1010 2.5*1010 1.875*1010
E6 5.0*1010 2.7778*1010 2.08333*1010
2.2命令流及解释
以5级围岩25m埋深为例，其命令流如下：
New
建模型，取圆形隧道半径为2.8m衬砌厚度为0.2m
gen zone radcylinder size 5 1 8 10
ratio 1 1 1 1.2
p0 0 0 0
p1 25 0 0
p2 0 1 0
p3 0 0 25
dimension 3,3,3
group rock；定义围岩分块
gen zone cshell ratio 1.1 1 1 1
p0 0 0 0
p1 3 0 0
p2 0 1 0
p3 0 0 3
dimension 2.8 2.8 2.8
group concrete;定义衬砌分块
gen zone cylinder p0 0 0 0
p1 2.8 0 0
p2 0 1 0
p3 0 0 2.8
group excavation;定义开挖分块
gen zone reflect dip 0 dd 90
gen zone reflect dip 90 dd 90
plot set rotation 20 0 30
plot set center auto
plot add axes red
plot blo gro
plot show；显示模型及坐标
fix x ran x 24.9 25.1
fix x ran x -24.9 -25.1
fix y ran y -0.1 0.1
fix y ran y 0.9 1.1
fix z ran z -25.1 -24.9；设定边界条件
model mohr ran group rock
prop bulk 1e10 shear 0.71428e10 coh 0.18e6 ten 1e10 ran group rock
ini dens 2250 ran group rock
model elastic ran group concrete
prop bulk 2.7778e10 shear 2.08333e10
ran group concrete
ini dens 2500 ran group concrete
model null ran group excavation；设定材料属性set grav 0 0 -9.8；设置重力加速度
hist id = 1 unbal；记录最大不平衡力
step 1000
hist n = 500
hist zone szz 0 0 2.9 ；记录拱顶竖向应力
hist gp zdis 0 0 2.9；记录拱顶沉降
step 3000
his write 2 v 3 file 5-150m-cq.txt
save 5-150m-cq.sav
不同围岩的参数如下表
表2.2-1
3计算结果及分析
3.1数据处理
根据建模求解得到的数据，处理数据如下表3.1-1~3
表3.1-1
E1 应力Pa 位移m3E2 应力Pa 位移m3
1 -70200 -0.144
2 1 -51900 -0.1432
2 -47070 -0.1917 2 -50070 -0.158
3 -50060 -0.2106 3 -32260 -0.1778
4 -39500 -0.2364 4 -13670 -0.1972
5 -21580 -0.2627 5 -18490 -0.2034
6 -25270 -0.2712 6 -22010 -0.204
表3.1-2
E3 应力Pa 位移m3E4 应力Pa 位移m3
1 -47920 -0.1313 1 -54960 -0.1064
2 -37480 -0.1359 2 -44430 -0.1178
3 -29260 -0.1527 3 -41780 -0.1322
4 -19360 -0.1694 4 -22530 -0.1469
5 -20230 -0.1745 5 -18110 -0.1513
6 -22700 -0.1752 6 -25330 -0.1519
表3.1-3
E6 应力Pa 位移m3E5 应力Pa 位移m3
1 -50060 -0.09586 1 -51710 -0.0856
2 -47070 -0.105
3 2 -41040 -0.0943
3 -39500 -0.1182 3 -29610 -0.1059
4 -19460 -0.1313 4 -17540 -0.1184
5 -21580 -0.1352 5 -18680 -0.1219
6 -25270 -0.1356 6 -15200 -0.1222 3.2围岩特征曲线绘制
根据3.1节中所得数据，绘制支护特征曲线如图3.2-1~2
图3.2-1 E1 E2 E3支护特性曲线
图3.2-2 E4 E5 E6支护特性曲线
3.3结果分析
通过对计算结果的分析，可以得出以下结论：
隧道拱顶的位移与隧道的埋深，支护阻力，围岩条件有关，关系分别如下：1）隧道埋深越深拱顶的位移越大；
2）支护阻力越大拱顶的位移越小；
3）围岩级别越大拱顶的位移越大；
因此，我们可以通过特性曲线来获取不同衬砌强度下合理的支护力和位移，从而找到较为合理的支护强度.
参考文献
[1] 关宝树.隧道力学.西南交通大学出版社
[2] 黄文斌《Flac3d实用教程》2007.8。