ANSYS在岩土和地下工程中的应用.pdf

土木工程解决方案 在岩土和地下工程中的应用 第六章 ANSYS在岩土和地下工程中的应用 岩土介质的力学性质非常复杂，影响其应力和变形的因素很多，例如岩土的结构、孔隙、密度、应力历 史、 荷载特征、 孔隙水及时间效应等等， 在如此之多的因素作用下要获得理论解几乎是不可能的， 而用ANSYS 可以很好地模拟岩土的力学性能，包括对断层、夹层、节理、裂隙和褶皱等地质情况的模拟；工程结构大多 建筑在土基上，土体与结构的相互作用直接影响到结构的受力和变形情况，过去限于计算方法，结构设计中 对于土体与结构的相互作用以及地基或桩基的沉降过程，只能作一些粗糙的假定，使得计算结果与实际情况 相差很远，而ANSYS可以考虑非线性应力-应变关系及分期施工过程，使得实际情况在计算中得到较好的反 映；此外用ANSYS还可以分析岩土的应力-变形与稳定性；边坡应力及稳定性；在复杂岩基中，边坡和硐室 锚固效应分析；爆破及地震应力波的传播及其对结构的破坏作用；路基、底座、深基、桩等的承载能力与沉 陷分析；土壤与钢筋混凝土道路主体间的相互作用；锚固钢缆、预应力钢筋、钢支撑、隧道加强筋等钢结构 与岩土和混凝土在温度和外力作用下裂隙的分布与扩展过程模拟。 一、 ANSYS在岩土开挖过程中的应用 地下洞室、 厂房、 隧道在开挖前， 岩体中的每个质点均受到天然应力的作用而处于平衡状态。 开挖后， 周 边的岩体失去了原有岩体的支撑，破坏了原有的受力平衡状态，围岩就要向洞内空间膨胀，这样就改变了邻 近岩体质点的相对平衡关系，引起了围岩应力的重分布。计算围岩重分布应力是一个复杂而困难的课题，随 着岩体的力学属性、开挖形状、天然应力和计算方法的不同而不同。由于ANSYS可以提供独特的用来模拟结 构开挖过程的“生/死（Birth/Death） ”单元，所以可以很方便地进行岩体开挖和锚杆支护过程仿真及优化开 挖顺序、 岩土填筑过程仿真。 利用ANSYS还可模拟岩基、 边坡和隧道在不同施工条件下、 不同开挖顺序下， 边 帮及地板的回弹、错动以及高地应力区岩爆发的过程。 42 桐柏抽水蓄能电站 该电站位于浙江省天台 县境内， 输水隧洞与厂房交叉， 总共四台机组组成 一个复杂的地下空间结构。武汉大学土木建筑工 程学院用 ANSYS 进行了厂房开挖过程的仿真分 析。 进行了多种方案的开挖、 加锚、 衬砌支护过程 的仿真，计算中用死活单元模拟开挖、支护过程， 效果较好，所得的结论被国家电力公司华东勘察 设计研究院所采用， 为其设计、 监测和施工提供了 有指导意义的准则。图 6.1 为厂房开挖部分的网 格，图 6.2为2 机组塑性区。 图 6.1 厂房开挖部分的网格 土木工程解决方案 43 某厂房 有限元模型如图 6.3，第 一次、 第二次、 第三次挖掉的单元分别 如图6.4、6.5和6.6，对称面处位移分 布如图6.7。 通过ANSYS软件的数值模 拟，为厂房开挖提供了科学的开挖顺 序，节省了开挖成本，节约了时间。 图6.3 开挖之前的有限元模型 图 6.4 第一次挖掉的单元图6.5 第二次挖掉的单元 图6.7 对称面处合位移等值线图 6.6 第三次挖掉的单元图 图 6.2 2 机组塑性区 土木工程解决方案 在岩土和地下工程中的应用 埋藏在岩石中隧道衬砌的应力计算是一个十分复杂的接触问题。过去工程设计中，先假设岩石具有一定 的抗力系数，然后按结构力学方法计算，这种计算方法并不能反映围岩与衬砌相互作用的真实情况，但是用 ANSYS可以很方便地定义出衬砌与岩石的接触关系，从而比较真实地模拟出衬砌的应力状态。 二、ANSYS在隧道设计中的应用 44 某基坑 平面形状为X形，用ANSYS对开挖过 程进行模拟。 为减小计算规模， 根据对称性原理， 取 1/2结构进行计算。图6.8为基坑周围部分有限元 模型，图6.9为开挖部分有限元模型。图6.10和图 6.11分别为开挖后， 基坑的竖向位移和最大主应力 分布情况。 根据计算结果分析可知， 在无支护条件 下， 基坑开挖后坑壁向内产生位移， 且随着深度增 加而增加。 该计算结果合理， 与现场测试结果基本 一致。 某隧道的有限元模型 如图6.12用ANSYS 对衬砌的应力分布情况进行分析，图6.13为岩 体和衬砌的应力分布情况，图6.14为边墙的主 应力分布方向和塑性变形；该分析结果与实测 值吻合的很好。 图 6.12 隧道的1/2 有限元模型 图6.8 基坑周围部分有限元模型 图 6.10 竖向位移 图6.11 最大主应力分布 图6.9 开挖部分有限元模型 土木工程解决方案 某钢筋混凝土地道 如图 6.15。考 虑到周围土体与结构的相互作用，有限 元模型如图6.16。图6.17 为地道在外载 荷作用下的位移分布情况。用ANSYS进 行隧道的辅助设计，可以尽可能节省工 程成本，优化设计结果。 图 6.13 隧道衬砌和岩体的应力分布图图6.14 边墙的主应力分布方向和塑性变形 图6.15 钢筋混凝土地道 图 6.16 有限元模型图6.17 地道的位移分布 图6.18 加筋量计算 45 土木工程解决方案 在岩土和地下工程中的应用 三、ANSYS在土体与结构相互作用中的应用 某大直径圆柱壳防波堤结构 如图6.19， 筒体作用有水平 波浪力，圆柱壳防堤结构断面，如图 6.20。天津大学以 ANSYS 为计算与开发平台，利用APDL语言，建立了适用于大直径薄壁 圆柱壳结构与土体相互作用分析的数值分析模型， 从而实现了弹 簧刚度根据土体应力状态动态修正的迭代算法和结果的自动提取 功能。图 6.21 为波浪力作用下圆柱壳的整体位移图。由计算表 明， 波浪力作用下产生的土体抗力、 摩擦力沿筒高的分布规律以 及圆柱壳结构中相关控制点的位移、 沉降值与常规方法的模型实 验结果比较，无论是其规律性还是实测值，均很吻合。 深埋式大直径薄壁圆柱壳结构与土体的相互作用，不论是常规工程计算还是数值模拟分析，都存在较大 的困难。目前，常规工程计算中，一般将其按重力式结构进行分析，筒体前后分别按主动土压力和被动土压 力进行分析，筒内应用扬森公式计算内填料压力，进行结构的总体稳定性计算和内力计算。这种计算方法的 基本假定是筒体两侧土体达到极限平衡状态。对于港口工程中常用的深埋式大直径薄壁圆柱壳结构，由于筒 体埋深较大，筒体两侧土体一定范围内均处于弹性范围，因此这种假定与实际情况有较大差距，从而导致计 算结果不合理。而现有的一些数值分析方法，由于必须考虑土体的非线性特征，同时还应考虑筒体与周围土 体的接触面模拟，不论是在参数的确定上还是在计算方法上，都不够完善，无法取得另人满意的结果。但是 将地基土体假定为文克尔地基，不仅成熟应用于弹性地基梁的设计计算中，还广泛应用于桩基结构、基坑支 护结构的设计计算中，并取得良好的效果，成为各类规范所推荐的方法。 图6.19 大直径圆柱壳防波堤结构 图6.21 波浪力作用下的整体位移 图 6.20 圆柱壳防堤结构断面示意图 46 土木工程解决方案 中梁山隧道 是成渝高速公路最长的双线 隧道， 对于这样特长隧道的运营通风， 建设单 位与设计单位进行了大量的调查和充分的论 证，采用了以射流通风技术为关键的纵向通 风方式。 利用ANSYS的流体动力分析功能， 采 用流体单元 FLUID142 单元，对该隧道通风的 流场进行数值模拟， 图6.22为有限元模型， 图 6.23为总体压力分布情况， 6.24为总体速度分 布图。计算结果合理，与实验数据基本一致。 四、ANSYS在流体动力学中的应用 图6.22 有限元模型 图6.24 总体速度分布图 图 6.23 总体压力分布 47