【正文】 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 。 全斷面開挖 全斷面開挖是另一種相對(duì)簡(jiǎn)便的施工方法，直接開挖并施設(shè)支護(hù)，如圖 46。 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(jiǎn)化，本文將模型簡(jiǎn)化為二維模型，因此開挖步驟簡(jiǎn)化為 4 部，詳細(xì)開挖步驟見圖 45。初襯用梁?jiǎn)卧硎荆r厚度 50 cm。 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。 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)。 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，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)。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。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。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。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。 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。 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 。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。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。 （ 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。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。這些工作也可以在后面的步驟中逐步添加。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。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。 (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。 (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。 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(chǎng)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 的主要技術(shù)特點(diǎn)是唯一能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析的軟件 , 唯一實(shí)現(xiàn)前 后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化大型 FEA 軟件，唯一具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能的 FEA 軟件 , 唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件 , 強(qiáng)大的非線性分析功能 , 多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置，支持異種、異構(gòu)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng)，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。 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件，可廣泛的用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。以 ANSYS 為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個(gè)多用途的有限元法分析軟件，它從 1971 年的 版本與今天的 版本已有很大的不同，起初它僅提供結(jié)構(gòu)線性分析和熱分析，現(xiàn)在可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題的解答。使用該軟件，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。想要解答，必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。所謂工程分析軟件，主要是 畢業(yè)論文報(bào)告 16 在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。 (36) 引入結(jié)構(gòu)邊界條件，對(duì)方程組進(jìn)行求解，得出節(jié)點(diǎn)位移 ，進(jìn)而求個(gè)單元的內(nèi)力和變形。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。先將每個(gè)的單元?jiǎng)偠染仃嚭铣烧w剛度矩陣，再將各單元的等效節(jié)點(diǎn)力集合成總的荷載陣列 —總剛度矩陣 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 建立平衡方程組。 ——單元等效荷載矩陣， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (34) 式中 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (33) 式中 D——單元材料彈性常數(shù)所確定的彈性矩陣， S——應(yīng)力矩陣。 (32) 式中， B——變形矩陣。 利用應(yīng)變和位移之間的關(guān)系即幾何方程，將得出單元任一點(diǎn)應(yīng)變與單元節(jié)點(diǎn)位移 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (31) 式中， N——形函數(shù)矩陣。 。首先必須對(duì)該單元的任意一點(diǎn)的位移分布做出假 畢業(yè)論文報(bào)告 15 設(shè)用有限自由度的簡(jiǎn)單位移來代替真實(shí)位移，即假定位移是坐標(biāo)的某種簡(jiǎn)單的函數(shù)，通常采用多項(xiàng)式作為位移函數(shù)（位移模式），位移模式的合理與否，影響到有限元分析得精度、效率和可靠性。結(jié)構(gòu)離散時(shí)，劃分的單元的大小和數(shù)目應(yīng)根據(jù)計(jì)算精度的要求和計(jì)算機(jī)的容量來決定。其過程就是用一些假想的線或者面進(jìn)行切割，使其成為具有選定切割形狀的有限個(gè)單元體。 有限元數(shù)值模擬過程 (1)結(jié)構(gòu)的離散化。 (2)實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，幾乎適用于求解所有的連續(xù)介質(zhì)和場(chǎng)問題。 所以，有限元法實(shí)質(zhì)上是把具有無限個(gè)自由度的連續(xù)系統(tǒng)，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問題。 (2)對(duì)每個(gè)單元由于分塊近似的思想，按一定的規(guī)則 (由力學(xué)關(guān)系或選擇一個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù) )建立求解未知量與節(jié)點(diǎn)相互作用 (力 )之間的關(guān)系 (力一位移等 )。 有限元法的基本思想 : (1)假想把連續(xù)系統(tǒng) (包括桿系，連續(xù)體，連續(xù)介質(zhì) )分割成數(shù)目有限的單元，單元之間只在數(shù)目有限的指定點(diǎn) (稱為節(jié)點(diǎn) )處相互連接，構(gòu)成一個(gè)單元集合體來代替原來的連續(xù)系統(tǒng)。 1960 年飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程師 Clough 在他的論文中第一個(gè)采用 有限元 (Finite element method )這一術(shù)語，并用有限元的思想求解了平面彈性問題。 畢業(yè)論文報(bào)告 14 第三章 數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)介 有限元的基本思想和優(yōu)點(diǎn) 有限元法是適應(yīng)電子計(jì)算機(jī)的使用而發(fā)展起來的一種比較新穎和有效的數(shù)值計(jì)算方法。數(shù)值分析法以有限單元法、有限差分法為基礎(chǔ)，可考慮不同的地層條件、邊界條件，還可考慮施工造成的力學(xué)變化過程、土體的粘性與蠕變特性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于受到其理論本身的限制，如線彈性、均質(zhì)等前提條 件，使得其計(jì)算在實(shí)踐推廣中遇到很大的困難。 (2)彈性理論解析解。至今所提出的復(fù)合地基沉降實(shí)用計(jì)算方法中，對(duì)下臥層壓縮量 S2，大都采用分層總和法計(jì)算，例如假定一個(gè)擴(kuò)散角，便可按早期的分層總和法進(jìn)行計(jì)算 ； 而對(duì)加固區(qū)范圍內(nèi)土層 的壓縮量 S1，可采用一種或幾種計(jì)算方法計(jì)算，這些方法有復(fù)合模量法、 Es 法、應(yīng)力擴(kuò)散法、等效實(shí)體法等等，限于篇幅，此處不再一一詳列。復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮為 S,，地基壓縮層厚度內(nèi)加固區(qū)下臥層厚度為 ZH，其壓縮量為 S2?？偨Y(jié)起來，目前各種各樣的沉降計(jì)算方法可歸納為以下幾個(gè)大類 : (1)分層總和法 這種方法原理比 較簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，現(xiàn)有的各種各樣的分析方法均是以分層總和為基礎(chǔ)。因此，在綜合比選各種加固措施后，鄭西客專黃土隧道大部分采用水泥土擠密樁對(duì)基底進(jìn)行加固處理，以便減小孔隙率，提高密實(shí)度，消除新老黃土的濕陷性。 復(fù)合地基的加固效果雖不及混凝土灌注樁，但性價(jià)比高，也能滿足工程的 要求。 黃土地基加固處理方法 針對(duì)不同的地基類型可采用不同的地基處理方法，例如巖石地基可采用褥墊法、灌漿法，砂土地基可采用振動(dòng)法、振沖法、強(qiáng)夯法，等等。 黃土隧道地基的濕陷性問題 新建鄭西客專隧道穿越第四紀(jì)各期黃土地層，其洞口段及橋隧相連段多位于具濕陷特征的 Q Q4黃土地層中，需要進(jìn)行地基加固處理，以避免產(chǎn)生過大的地基沉降變形。 自重濕陷量 △ ZS應(yīng)按下式計(jì)算 : ???? ni iZS iZSh10?? (22) 式中： δＺＳｉ ——第 1 層土在上覆土的飽和自重壓力下的自重濕陷系數(shù)，按下式計(jì)算： 0hhh zzZS i???? (23) hz——保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的土樣，加壓至土的飽和自重壓力時(shí)，下沉穩(wěn)定后的高度 ； h39。 二、 場(chǎng)地濕陷類型和地基濕陷等級(jí)的劃分 場(chǎng)地的濕陷類型，應(yīng)按實(shí)測(cè)自重濕陷量或計(jì)算自重濕陷量判定。p——上述加壓穩(wěn)定后的土試樣，在浸水作用下下沉穩(wěn)定后的高度 ； h0——土試樣的原始高度。 一、濕陷性判定 在一定壓力下的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)測(cè)定的濕陷系數(shù) ? s:應(yīng)按下式計(jì)算 : 畢業(yè)論文報(bào)告 11 039。 (3)浸水過程時(shí)，黃土的濕陷處于發(fā)展過程中，此時(shí)抗剪強(qiáng)度降低最多。 (1)當(dāng)黃土的含水量低于塑限時(shí)，水分的變化對(duì)強(qiáng)度的影響最大，但當(dāng)含水量大于塑限時(shí)，含水量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響減小，而超過飽和含水量時(shí)，抗剪強(qiáng)度的變化不大。 Q2和 Q3早期黃土，多為中等偏低壓縮性