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施工顺序对隧洞开挖影响的有限元分析.doc
施工顺序对隧洞开挖影响的有限元分析
摘要:本文采用Ansys程序,通过两种不同施工顺序对某建筑隧洞开挖进行了数值分析,结果表明,两种工况下的最大沉降量的相同,且两种情况下遂洞均未发生塑性破坏。
关键词:地下工程;施工顺序;有限元
中途分类号:TU74文献标识码:A 文章编号:
1 前言
随着城市建设的发展,工程建设越来越多的向地下空间发展,有些是在已建成的地下建(构)筑物上修建新的建筑;有些则是在已建成的建筑物下开发地下空间,如城市地铁等;有些则是地上地下同时建设。总之,随着现代城市的大规模开发建设,工程环境日益复杂,应用传统的分析计算方法难以解决。随着计算技术的发展,数值解法已被广泛应用工程问题的求解[1]。
按照城市建设规划,某地段地面上拟建一30层的高层建筑,地面下15米处将有城市轨道交通穿越。两者均为待建建(构)筑物,两者先后施工顺序对彼此的影响,以及对周边建筑物的安全有无影响是必须要统一考虑的问题。本文采用Ansys有限元程序分析了不同施工顺序对隧洞开挖的影响。
2 隧洞开挖的有限元方法
采用等效节点力法,未开挖时先求解如下方程[2]:
(1)
求出方程后,再计算各单元的应力,通常认为开挖前位移已经完成,与开挖无关,故可以取=0,而初始应力场为。
开挖后求解方程:
(2)
开挖后的总位移为:
(3)
总应力为:
(4)
3 工程实例分析
隧洞位于地下15米处,洞直径10米,直墙高10米,拱高5米(见图1)。根据岩土工程勘察报告,岩土各参数为:r #61501;#61472;2500kg/m3,#61509;#61472;#61501;1.4#61620;103M#61522;a,v #61501;#61472;0.27,c#61501;#61472;2.72#61517;#61522;a,φ#61501;#61472;35°。地面上将修建一30层的高层建筑,根据估计每层每米有25kPa的荷载直接作用于地基上。
本文分两种情况进行分析:(1)先开挖隧洞,在修建地面建筑,分析全过程隧洞洞顶下沉位移、塑性区、拉坏区和压坏区;(2)地面上先修建好以后,再开挖隧洞,分析隧洞洞顶下沉位移、塑性区、拉坏区和压坏区。分析中考虑整个施工过程的影响,为更好地体现施工过程对隧道的影响,在分析中加荷分为三次进行,每次加荷10层(即250kN/m)。
3.1 计算模型及边界条件:
在地下工程中,沿洞径D各方向一般取3~5D,本模型中除了隧洞以上由工程限制为3D(15m),其余三方均取5D。根据本工程情况,在两种工况作用下都将其视为连续体进行考虑,考虑荷载对隧洞的影响仅在一定范围内,故对隧洞左方、右方、下方进行约束,左右限制其X 方向的位移,下方限制其Y方向的位移。其计算边界及约束情况如图1所示。
图1计算边界及边界约束
3.2 单元类型及材料类型
本分析中两种工况作用下均采用PLANE42单元。根据岩石参数及相关分析,材料选择情况为:在各向同性线弹性材料中输入弹性模量和泊松比两个参数,在非线性材料中的D-P材料中输入粘聚力和磨擦角这两个参数,再在密度栏中输入密度值。
3.3 单元的划分
有限元分析中,单元的形状,大小是影响计算精度的关键因素之一。本分析采用四边形四节点等参单元。本分析中将隧洞顶部、底部、左右10m范围内作为细化区域,单元边长取为2;而隧洞左右10m以外为非细化区,单元边长取为1。两种工况的单元网格如图2所示。
(a)工况一 (b)工况二
图2单元网格划分图
3.4 荷载施加
工况一:首先施加Y 向重力进行第一次计算;外荷载分为三次施加,每次施加十层的荷载即250kN/m,每加荷完一次就进行一次计算;
工况二:首先施加Y 向重力进行第一次计算;次种工况下外荷载可以一次性施加,施加完后再进行一次计算。
4 计算结果分析
两种工况下的有限元计算结果分别如图3和图4所示。
4.1 位移分析
工况一:四种情况下的y方向最大位移分别是:53.044mm、61.856mm、70.681mm、79.504mm(后三种情况含初始的沉降值),经计算拱顶位移:79.504-53.044=26.46mm
工况二:两种情况下y方向的最大位移分别是:74.588mm和79.504mm(含初始的沉降值),拱顶位移:79.504-74.588=4.916mm。
4.2 破坏情况分析
计算结果表明,两种工况下均没有形成塑性区(如图3e和图4d),同时观察最后的应力分布图,发现应力值偏小。究其原因
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