【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。土分布的中心地帶，全線穿過黃土段的隧道累計(jì)里程長達(dá)65km。屬V級(jí)Q3新黃土。該線隧道均為雙線隧道，開挖面積達(dá)174m2，是目前國內(nèi)開。挖斷面最大的黃土隧道。嶺黃土隧道工程背景，以解決高速鐵路大斷面黃土隧道關(guān)鍵施工技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，法和弧形導(dǎo)坑法的安全性進(jìn)行了對(duì)比的分析和研究，得出了一些結(jié)論和建議。

　　

【正文】 ，在異種、異構(gòu)平臺(tái)上用戶界面統(tǒng)一，數(shù)據(jù)文件全部兼容，強(qiáng)大的并行計(jì)算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行，多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù) , 良好的用戶開發(fā)環(huán)境。 該軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 ANSYS 作為功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的有限元分析軟 件，其功能特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：數(shù)據(jù)統(tǒng)一 、強(qiáng)大的求解功能、強(qiáng)大的非線性分析功能、多種網(wǎng) 畢業(yè)論文報(bào)告 17 格劃分方式、獨(dú)特的優(yōu)化功能、多場耦合功能、友好的程序接口以及良好的用戶開發(fā)環(huán)境。 ANSYS 的基本分析步驟如下： (1)建模：針對(duì)不同的問題，可進(jìn)行實(shí)體建模，也可采用模擬建模，建模的原則是簡單、高效、且能反映實(shí)際問題的特征。 (2)定義材料，劃分網(wǎng)格： ANSYS 程序提供了大量的單元，根據(jù)問題的不同需要選擇合適的單元，定義材料的屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 (3)施加載荷：載荷包括約束、力、溫度 等一切作用，可在實(shí)體模型上施加載荷，也可在有限元模型上施加載荷，在實(shí)體模型上施加載荷，在求解過程中會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。 (4)問題求解： ANSYS 程序?yàn)椴煌I(lǐng)域內(nèi)問題的求解，提供了多種方法。非線性問題主要是用 Newton－ Raphnso 方法。瞬態(tài)動(dòng)力問題分析采用 Newmark 方法，求解時(shí)可考慮材料、幾何等非線性因素的影響。 (5)觀察結(jié)果：通過后處理器，可以查看結(jié)構(gòu)的各種響應(yīng)值，如力、彎矩、位移等。并可利用畫圖功能畫出結(jié)果，如結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力曲線以及各種響應(yīng)隨時(shí)間變化的曲線。 Ansys 軟 件平面彈塑性分析過程 一個(gè)典型的彈塑性 ANSYS 分析過程可分為 3 個(gè)步驟： 在建立 ANSYS 的實(shí)體模型劃分網(wǎng)格之前，有時(shí)需要作一些準(zhǔn)備工作，包括：指定工程名和分析標(biāo)題、定義單位、選擇分析的學(xué)科、定義單元類型、定義單元常數(shù)等。這些工作也可以在后面的步驟中逐步添加。 計(jì)算假定 本章的計(jì)算是基于以下假定 : （ 1） 巖體初始應(yīng)力場僅考慮其自重應(yīng)力； （ 2）地應(yīng)力分步釋放，圍巖被開挖后，應(yīng)力要釋放，按照經(jīng)驗(yàn)取在上初期支護(hù)時(shí)荷載釋放 60 %，修建好二 襯后，荷載再釋放 40 %； 畢業(yè)論文報(bào)告 18 （ 3）隧道的受力和變形是平面應(yīng)變問題，不考慮空間效應(yīng)； （ 4）初期支護(hù)中只考慮噴混凝土的作用，鋼拱架等看作是對(duì)爆破時(shí)松動(dòng)圍巖強(qiáng)度的恢復(fù)； （ 5）二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，計(jì)算時(shí)不予考慮； 彈塑性分析選項(xiàng)設(shè)置 ANSYS 軟件中，與線彈性分析相比，彈塑性分析主要多出了非線性選項(xiàng)的設(shè)置以及本構(gòu)模型的選擇選項(xiàng)，其建模、分析過程及后處理基本相同。對(duì)雙連拱隧道動(dòng)態(tài)施工的過程進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，需要考慮材料的非線性及由單元生死引起的狀態(tài)非線性。 ANSYS 軟件提供了多 種塑性材料選項(xiàng)，但通常用 Drucker—Prager (DP)材料來模擬混凝土、巖石和土壤等顆粒狀材料。 （ 1）采用的計(jì)算準(zhǔn)則 在 ANSYS 軟件中， DP 材料使用 Drucker—Prager 屈服準(zhǔn)則，此屈服準(zhǔn)則為對(duì) Mohr—Coulomb 準(zhǔn)則的近似。但考慮了平均靜水壓力對(duì)屈服的影響，其流動(dòng)準(zhǔn)則可以使用相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則，也可以使用不相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則。其屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而改變，因此沒有強(qiáng)化準(zhǔn)則，然而其屈服強(qiáng)度隨著側(cè)限壓力 (靜水壓力 )的增加而相應(yīng)增加。其塑性行為被假定為理想彈塑性。另外， 這種材料考慮了由于屈服而引起的體積膨脹，但不考慮溫度變化的影響。當(dāng)巖體材料處于彈性階段或塑性區(qū)的彈性卸荷時(shí) ,應(yīng)力和應(yīng)變符合虎克定律 : { ?? } = [ D]{? ε},其中 { ?? }、 {? ε}分別為應(yīng)力和應(yīng)變增量， [ D ]為彈性矩陣；當(dāng)材料進(jìn)入塑性階段時(shí)，采用理想的 DruckerPrager 準(zhǔn)則，表達(dá)式為： KJJF ??? 210 ? (37) 或 KJJ ?? 21? 其中， 1I 和 2J 分別為第一應(yīng)力不變量和第二偏應(yīng)力不變量。 Drucker—Prager 準(zhǔn)則所表示得的屈服面在主應(yīng)力空間內(nèi)為 一個(gè)圓錐面 (圖 31) ，它在二 平面上 的投 影是一 個(gè)圓 。當(dāng)該 準(zhǔn)則 所表示 的圓 錐面為 Mohr—Coulomb 準(zhǔn)則的六邊形外頂點(diǎn)的外接圓時(shí)， α、 K 的取值為： 畢業(yè)論文報(bào)告 19 ? ???? si n33 si n2 ?? (38) ? ???s in33 c o s6 ?? cK (39) 當(dāng)其為六邊形內(nèi)頂點(diǎn)的外接圓時(shí)， α、 K 的取值為： ? ???? s in33 s in2 ?? (310) ? ???s in33 c o s6 ?? cK (311) 圖 31 Drucker—Prager 屈服面 圖 31 為 Drucker—Prager 屈服面， Drucker—Prager 準(zhǔn)則考慮了中間主應(yīng)力對(duì)屈服和破壞的影響，而且屈服面光滑，可以避免 Mohr—Coulomb 準(zhǔn)則屈服面在棱角處引起的數(shù)值計(jì)算上的困難，但該準(zhǔn)則沒有考慮屈服和破壞的非線性特性，對(duì)實(shí)際破壞條件的逼近較差。 2） DP 材料的輸入常數(shù) DP 材料的材料特性值由數(shù)據(jù)表輸入，需要輸入三個(gè)值 :粘聚力 C、內(nèi)磨擦角和膨脹角。膨脹角被用來控制體積膨脹的大小，對(duì)壓實(shí)的顆粒狀材料，當(dāng)材料受剪時(shí)，顆粒將會(huì)膨脹，如果膨脹角為 O，則不會(huì)發(fā)生體積膨脹。一般說來，膨 畢業(yè)論文報(bào)告 20 脹角為 O 是一種保守方法。 對(duì)于 DP 材料，其受壓時(shí)的屈服強(qiáng)度大于受拉時(shí)的屈服強(qiáng)度。如果我們有單軸受拉屈服應(yīng)力和單軸受壓屈服應(yīng)力，可以通過下式將此二值轉(zhuǎn)換成程序所需的輸入值： sin?? 1 ?????? ? ??32 33 (312) ? ?? ?? c o s6 s i n33 ?? yC (313) 上式中， β 和 yζ 由受壓屈服應(yīng)力和受拉屈服應(yīng)力計(jì)算得來： ? ?tctc ?? ??? ??? 3 (314) ? ?tctcy ????? ?? 32 (315) 單元的生死 ANSYS 程序中的載荷步 (Load Step)功能可以實(shí)現(xiàn)不同工況間的連續(xù)計(jì)算，用來模擬隧道的連續(xù)施工過程方便有效。在 ANSYS 中，利用 ANSYS 單元的生死功能，可以簡單有效地模擬隧道的開挖和支護(hù)過程。殺死單元時(shí)，程序?qū)⑼ㄟ^用一個(gè)非常小的數(shù)乘以單元的剛度，并從總質(zhì)量矩陣消去單元 的質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)“殺死 ”單元。對(duì)無活性單元的單元載荷 (壓力、熱通量、熱應(yīng)變等等 )被設(shè)置為零。隧道開挖時(shí)，可直接選擇將被開挖掉的單元，然后將其殺死 (ekill)，即可實(shí)現(xiàn)開挖的模擬。必須在前處理中定義所有可能的單元，程序不允許在求解后產(chǎn)生新的單元。因此，在后面階段中 “ 出生 ” 的那些單元，在第一個(gè)載荷步前應(yīng)當(dāng)被殺死，然后在適當(dāng)載荷步的開始被重激活，當(dāng)單元被重激活時(shí)，它們具有零應(yīng)變狀態(tài)，且如果大應(yīng)變選項(xiàng)是激活的，它們的幾何形狀將被修改，直到與它們的現(xiàn)偏移位置相適應(yīng)。在計(jì)算中圍巖、加固措施影響區(qū)和二次襯砌均采用 Plane42 單元加以 畢業(yè)論文報(bào)告 21 模擬 ,隧道初襯結(jié)構(gòu)采用 Beam3 加以模擬 。 ANSYS 單元生死功能在殺死或激活單元時(shí)，對(duì)單元的內(nèi)在屬性，如應(yīng)力、位移等，作了有效的處理。因此使用單元的生死功能來模擬隧道的開挖和支護(hù)，比單純使用 “空單元 ”模擬開挖和改變材料號(hào)來模擬支護(hù)更為準(zhǔn)確，結(jié)果更為可靠[7]。 畢業(yè)論文報(bào)告 22 第四章 高速鐵路大斷面黃土隧道施工數(shù)值模擬分析 鳳凰嶺隧道工況 鳳凰嶺隧道（ FHL）是鄭西客運(yùn)專線七個(gè)隧道中的一個(gè)，位于陜西省華陰市境內(nèi)。該隧道長 839 m，埋深在 40 m 左右，位于 V 級(jí)黃土基巖區(qū) 域，開挖斷面面積達(dá) 170 m2，是中國開挖斷面面積最大的黃土隧道。 圖 41 鳳凰嶺隧道 黃土計(jì)算參數(shù)見表 41： 表 41 老黃土弧形導(dǎo)坑法圍巖及其支護(hù)力學(xué)參數(shù) 材料 E（ MPa） μ Φ（ 186。） C（ kPa） γ（ kN/m3） 老黃土 64 28 30 19 錨桿加固 80 28 31 19 超前加固 128 28 60 20 初期支護(hù) 29500 25 二次襯砌 31000 25 仰拱回填 29500 25 建 立模型 模型為二維模型，隧道中心距兩側(cè)各 50 m，頂部覆土 40 m， 上部邊界 自由， 畢業(yè)論文報(bào)告 23 底部邊界距離隧道軌面 30 m。初襯用梁單元表示，二襯厚度 50 cm。 圖 42 力學(xué)模型圖 根據(jù)調(diào)研及研究，在 ANSYS 中建立 V 類圍巖彈塑性平面應(yīng)變有限元計(jì)算模型如下： 圖 43 網(wǎng)格劃分圖 畢業(yè)論文報(bào)告 24 弧形導(dǎo)坑法 其開挖次序見圖 44，施工過程描述 : (1)開挖弧形導(dǎo)坑 ① ，并施設(shè)初支 ； (2)在距離 ① 4m 后，開挖正面上合階 ② 并施設(shè)初支 ； (3)在距離 ② 4m 后開挖正面下臺(tái)階 ③ 及回填部分并施設(shè)初支 ； (4)在距離 ③ 4m 后封閉仰拱并施設(shè)仰拱上部回填 ⑤ ； (5)在距離 ③ 4m 后，修筑二次襯砌。 圖 44 弧形導(dǎo)坑法開挖步驟 根據(jù)有限元數(shù)值計(jì)算的特點(diǎn)，可以對(duì)施工工序作必要的簡化，本文將模型簡化為二維模型，因此開挖步驟簡化為 4 部，詳細(xì)開挖步驟見圖 45。 圖 45 二維模型弧形導(dǎo)坑法開挖步驟 (1)開挖弧形導(dǎo)坑 ① ，并施設(shè)初支 ； (2)開挖正面上合階 ② ，并施設(shè)初支 ； 畢業(yè)論文報(bào)告 25 (3)開挖正面下臺(tái)階 ③ 及回填部分 ④ 并施設(shè)初支 ； (4)修建二襯并回填 ④ 。 全斷面開挖 全斷面開挖是另一種相對(duì)簡便的施工方法，直接開挖并施設(shè)支護(hù)，如圖 46。 圖 46 全斷面開挖圖 (1)全斷面同時(shí)開挖 ，并施設(shè)初 襯； (2)施設(shè)二襯。 分部開挖 弧形導(dǎo)坑法 ① ，并施設(shè)初 支 畢業(yè)論文報(bào)告 26 圖 47 第一步 開挖第一主應(yīng)力 /MPa 圖 48 第一步 開挖第三主應(yīng)力 /MPa 圖 49 第一步開挖第一主應(yīng)變 圖 410 第一步開挖 第三主應(yīng)變 圖 411 第一步 開挖 x方向位移 /m 圖 412 第一步 開挖 y 方向位移 /m 畢業(yè)論文報(bào)告 27 圖 413 第一步開挖塑性區(qū) /m 圖 414 第一步開挖剪力圖 圖 415 第一步開挖彎矩圖 圖 416 第一步開挖軸力圖 臺(tái) 階 ② ，并施設(shè)初支 圖 417 第二 步 開挖第一主應(yīng)力 /MPa 圖 418 第二步開挖第三主應(yīng)力 /MPa