導(dǎo)語：基于有限元隧道開挖變形探究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：該文章采用有限元COMSOL軟件模擬隧道開挖變形，建立了三隧道開挖變形的二維有限元分析模型，從而進(jìn)行研究分析。表面沉降量以及隧道周圍塑性區(qū)域是重要的預(yù)測開挖過程中必要的的參數(shù)。為了計算地應(yīng)力，需使用兩個研究步驟。在第一個研究中，計算隧道開挖前土體的應(yīng)力狀態(tài)，在第二個研究中計算土的位移。

關(guān)鍵詞：隧道開挖；有限元；應(yīng)力

1概述

洞穴挖掘后，會在巖石和土壤中形成自由變形的空間。最初處于擠壓狀態(tài)的巖石由于結(jié)合力的釋放而導(dǎo)致膨脹變形。當(dāng)這種變形超過周圍巖石本身的能力時，周圍的巖石將被破壞，導(dǎo)致分離，坍塌和膨脹對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的控制非常重要。本文采用有限元軟件進(jìn)行隧道開挖的模擬[1]，從而進(jìn)行因開挖而引起的變形研究。

2有限元模型

2.1材料參數(shù)和本構(gòu)模型的定義。本次試驗的幾何結(jié)構(gòu)是由60米深、120米寬的土層組成。3個直徑為10的半圓畫在矩形的左側(cè)。楊氏模量E=12MPa，泊松比υ=0.495，內(nèi)聚力c=130KPa，內(nèi)摩擦角為30度。采用Drucker-Prager準(zhǔn)則[2]，將材料參數(shù)與Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[3]進(jìn)行匹配。2.2有限元模型建立。在下邊界用固定的約束邊界來固定位移；左側(cè)邊界使用對稱，右側(cè)邊界使用滾輪。將默認(rèn)的自由邊界保持在頂部。添加一個重力節(jié)點（中點）來考慮重力效果[4]。因隧道通常比較長，所以可按平面應(yīng)變問題考慮，本文對隧道進(jìn)行較細(xì)化網(wǎng)格劃分[5]。

3有限元結(jié)果分析

3.1原模型結(jié)果分析。圖2顯示了重力引起的應(yīng)力分布。輥和對稱當(dāng)邊界產(chǎn)生均勻的垂直變化。從圖中我們可以很清晰的發(fā)現(xiàn)在隧道開挖前只因重力而引起土層的應(yīng)力變化。下邊界的應(yīng)力最大，然后從下到上在逐漸減小。最大的應(yīng)力可以達(dá)到36×104N/m2。在地應(yīng)力取自第一步。注意周圍有效應(yīng)力的增加隧道[6]。從這張圖中我們可以發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力對比上一張圖明顯增大了，可以達(dá)到36×106N/m。在隧道周圍的應(yīng)力是最大的，逐漸向四周減小直至為0。3.2頂部位移分析。頂面由于地震引起的水平位移和沉降開挖如圖4和圖5所示。從圖4中我們可以發(fā)現(xiàn)隨著弧長的不斷增大，頂部邊界在x方向上的位移也隨之先增大，而后在37的時候頂部邊界在x方向上的位移是最大的，向左側(cè)移動了將近170mm，之后又隨著弧長的不斷增大，在x方向上的位移也在逐漸減小直至為0。而從圖5我們也可以發(fā)現(xiàn)其在y方向上的位移先隨著弧長的增大而增大，然后在弧長達(dá)到15的時候，頂部邊界在y方向上的位移達(dá)到最大，向下移動了0.33m，隨后又隨著弧長的不斷增大，在y方向上的位移在逐漸減小直至為0。

4結(jié)論

第一，我們通過運用有限元COMSOL軟件模擬隧道開挖，對其產(chǎn)生的應(yīng)力和位移都進(jìn)行了分析。根據(jù)隧道開挖的數(shù)值模擬分析，可以看出，應(yīng)力的變化是由外界荷載和自重都有一定的關(guān)系。第二，根據(jù)隧道開挖的數(shù)值模擬分析，我們可以發(fā)現(xiàn)頂部邊界在x方向上的位移比在y方向上的位移要小很多。而且在x方向上位移和在y方向上的位移并不能同時達(dá)到最大。第三，數(shù)值模擬也存在一些不足之處，對于特定項目，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和實際參數(shù)進(jìn)行研究分析。

參考文獻(xiàn)

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作者:陳健 權(quán)娟娟 楊如東 單位:西京學(xué)院