ANSYS三维地应力场数值模拟方法应用研究.pdf

第19卷第2期 地质力学学报 V01．19NO．2 2013年6月 OF Jun．2013 JOURNALGEOMECHANICS 文章编号：1006_6616(2013)02-0133—10 ANSYS三维地应力场数值模拟 方法应用研究 刘爱华，杨 清，吴均平 (中南大学资源与安全工程学院，长沙410083) 摘 要：初始地应力场由自重应力场和构造应力场叠加而成，是深部地下工程分析 必须考虑的重要因素。针对目前常用的三维地应力场数值模拟方法在维持地应力场 分布规律和避免附加位移方面存在的缺陷，进行了ANSYS地应力场模拟方法的比 较研究。用java语言编写了针对不同ANSYS版本的初始应力文件合并程序，提出 了高版本ANSYS初始应力文件合并的EXCEL简易方法，实现了不需编写任何其他 程序、对所有类型单元通用的ANSYS初始应力平衡等效节点反力法，构建了一套 实用的ANSYS三维地应力场模拟方法流程。 关键词：初始地应力场；ANSYS；文件合并法；地应力平衡 中图分类号：TU459+．4 文献标识码：A 0 引言 地应力主要由自重应力和构造应力叠加而成，是引起地下工程变形和破坏的根本作用 力¨1。初始地应力场对地下洞室、矿山巷道和采场的围岩应力、位移分布及破坏形式都有十分 重要的影响。在工程实例的数值模拟与分析中必须解决2个基本问题，一是合理地得到建模区 域内的地应力场，二是将确定的地应力场准确地施加于有限元模型上进行计算分析¨-。 ANSYS大型通用有限元软件被广泛用于地下工程分析1。然而，目前在地应力场的设 置和模拟方面普遍存在如下3类问题：①只考虑了自重应力场，没有考虑构造应力场；②虽 然同时考虑了自重应力场和构造应力场，但是模拟出的地应力场分布规律不正确；③能够模 拟出分布规律正确的地应力场，但在该过程中导致了初始位移，又难以消除其影响。 本文针对以上ANSYS地应力场模拟中存在的问题，以既要生成符合分布规律的地应力 场，又要避免附加位移影响的地应力场模拟原则，比较借鉴了现有有限元软件地应力场构造 力文件合并的ExcelCVS文件简易方法和地应力平衡简易方法，研究提出一整套从模拟到施 加的ANSYS三维地应力场数值模拟实用流程。 收稿日期：2012—11-21 基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(2010CB732004) @163．COITI 万方数据 134 地质 力 学 学报 2013 1 构造初始地应力场的方法 盯，=0．74+0．014H1 O=．2 76+．0028H1 z)1( 盯一=1．83+0．017日J 图1 地应力计算模型 Fig．1In—situstresscalculationmodel 图1所示的计算模型虽然能够满足静力平衡，但会导致刚体位移，无法在ANSYS中求 解，因此必须施加必要约束。通常采用图2所示三向荷载简支模型，即在模型上底面施加竖 向应力，下底面施加y方向的零位移约束；模型戈方向，一面施加梯形最大水平应力，另一 面施加搿方向的零位移约束；模型z方向， ·面施加梯形最小水平应力，另一面施加。方向 的零位移约束；整个模型施加重力加速度。 1．3 典型地应力模拟方法存在的问题