巷道ANSYS计算地分析.docVIP

1 工程概况 本次研究的是某矿北大巷的开挖围岩稳定性和支护效果。北大巷位于三煤的底板岩层中，其标高为－850m ，垂直地应力约为20MPa，巷道为直墙半圆拱型形状，净宽4.22m，净高3.38m。由于地应力高，故采用锚喷反底拱、锚注复合支护方案加固巷道，具体的巷道尺寸与支护措施如图1。 图1 巷道锚喷反底拱、锚注复合支护方案 2 北大巷围岩结构力学模型 巷道支护模拟分析最主要问题有三个：一是本构模型和参数；二是边界条件；三是模拟开挖和支护过程。 2.1数值计算模型的特点 （1）巷道问题符合平面应变问题，本次数值计算均作为平面应变问题来处理。 （2）为消除边界效应，各模型取足够大的尺寸，巷道处于模型的中心。 （3）根据实际经验和采矿理论，在模型的左右边界设为应力边界条件，模型下边界设为垂直位移约束，上边界自由加载，载荷大小为覆岩的自重。 （4）模型岩层的划分与实际地层基本一致，较薄岩层合并处理。 （5）合理选择计算参数和本构模型。 2.2本构模型及力学参数选取 （1）本构模型的选取 岩石材料本构关系的描述，国内外有很多种，每一种本构模型都有其优缺点，这里采用目前应用最广泛、最适宜于岩土材料的Dracker-Prager屈服准则。该屈服准则对Mohr-Coulomb准则给予近似，以此来修正Von·Mises屈服准则，即在Von·Mises表达式中包含一个附加项。其流动准则可以使用相关流动准则，也可使用不相关流动准则，其屈服面不随材料的逐渐屈服而改变，同时考虑了由于屈服而引起的体积膨胀，因此适用于岩土、混凝土和土壤等颗粒状材料。 Drucker-Prager在1952年提出式： (1) 其中，I1为考虑平均应力的应力第一不变量 J2为应力偏张量第二不变量 、k为材料参数。 在数值计算中，DP材料需要输入的参数有E、、C、、，其确定方法如下： （2） （3） 上式中的和可由单轴受压屈服应力和受拉屈服应力计算得来， （4） （）和单轴受压屈服应力就可以计算出程序需要的输入值。另外，代表膨胀角，它用来控制体积膨胀的大小，对压实的颗粒状材料，当材料受剪时，颗粒将会膨胀，如果膨胀角为0，则不会发生体积膨胀，如果=，在材料中将会发生严重的体积膨胀，一般来说，=0是一种保守方法。 （2）力学参数的选取 力学参数的选取直接关系着是否能得到正确的计算结果，根据以往位移反分析的成果，弹性模量可由实验室测试值乘以一合适的折减系数得到，其余的力学参数可以查阅岩石力学参数手册，并结合实践经验类比确定。 2.3 计算模型的建立 （1）计算范围的选择 巷道的计算范围要适当，边界长度一般按巷道直径的3-5倍选取，这样可消除边界效应的影响。本次巷道选取一个30m×30m的正方形区域，巷道位于模型的正中央。 （2）边界条件和计算参数 在自重应力条件下，对边界条件作如下规定：对底边约束垂直方向位移，对左右两侧边界施加水平方向约束，在模型的顶部施加垂直地应力。本次计算的巷道的计算参数见表1。 表1计算参数表 材料类型 容重（KN/m3） 变模E（Gpa） 粘聚力C（Mpa） 摩擦角（） 泊松比 岩体 23.0 8 0.8 33 0.25 喷层 25.0 28 1.4 45 0.22 注浆加固岩体 23.0 15 1.2 40 0.25 反底拱 25.0 30 2 50 0.22 2.4模拟计算过程 开挖和支护按下列步骤进行： （1）未开挖时的初始计算 模型建立完毕后，施加边界条件，令所有的支护单元处于死亡状态，计算初始应力场和初始位移场。 （2）开挖与支护计算 在外载不改变的情况下，令本次开挖单元休眠，支护单元（锚杆）激活，然后进行计算，分别模拟单纯用锚杆支护和锚注联合支护的效果，通过本次计算，得到本次开挖的计算结果，，即第一次开挖支护后围岩的应力场和位移场。和表示开挖过程中的应力和变形结果，在实际应用中，常认为初始位移场为零位移场，即经常关心的是在原始状态下的扰动位移。 （3）绘制相应的应力和变形图，并分析计算结果。 3 ANSYS 数值分析 3.1软件介绍 目前，用于结构分析及岩土工程数值计算的软件很多，根据研究问题的特点和要求，