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圆形压力隧洞弹塑性应力和位移分析摘要压力隧洞是土木工程中常见的结构物之一,常设计为圆形,并设置衬砌。
目前圆形压力隧洞的研究都是集中在某一方面,如衬砌的不同处理、强度准则的选取、不同工况下主应力顺序的变化、岩石材料的应变软化和剪胀特性、渗流体积力和孔隙水压力的影响等,所得结论与实际情况存在差异。
因此,同时考虑不同工况下主应力顺序、岩石应变软化、剪胀和渗流作用等综合影响,采用统一强度理论对圆形压力隧洞应力场和位移场进行研究,具有重要的理论意义和工程应用价值。
针对具有衬砌的圆形水工压力隧洞,本文所做的主要工作为:利用统一强度理论和水工压力隧洞的基本知识,推导了平面应变状态下的统一强度理论方程,考虑到材料应变软化和施工期与运行期不同应力条件的影响,得出不同工况下初始屈服面和后继屈服面的表达式;基于平面应变状态下统一强度理论和弹脆塑性软化模型,在水工隧洞施工期以径向应力为第一主应力,在运行期以切向应力为第一主应力,根据施工期和运行期渗透水压力分布规律,分别推导出施工期具有剪胀和软化特性的围岩及处于弹性状态的衬砌应力、位移统一解,和在施工期含水围岩处于弹性状态、施工期含水围岩处于弹塑性状态两种情况下,运行期具有剪胀和软化特性的围岩及处于弹性状态的衬砌应力、位移统一解,并讨论了不同的渗透系数比值%/乞,统一强度理论参数,软化特性参数、鲲和剪胀特性参数对施工期和运行期衬砌与围岩应力和位移的影响。
本文通过对隧洞含水围岩和衬砌施工期和运行期应力、位移统一解的推导,得出了不同工况下隧洞的不同力学性能及参数的不同影响,为理论研究和工程的实际应用奠定了一定的基础。
关键词:统一强度理论、水工压力隧洞、渗透系数、应变软化、剪胀、应力场、位移场 ,. , ,, , , , , ., ,., ,,, : ,.,.,, ? , ,. , ?. 、,, 、仍,,,.,, .:;; ;; ;;论文独创性声明本人声明:本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
§4.3 弹塑性增量分析的有限元格式 一、弹塑性问题的增量方法材料和结构的弹塑性行为与加载及变形历史有关。
在进行结构的弹塑性分析时，通常将载荷分成若干个增量，然后对于每一载荷增量，将弹塑性方程线性化，从而使弹塑性分析这一非线性问题分解为一系列问题。
假设对于时刻t 的载荷和位移条件的位移t i u ，应变t ij ε和应力t ij σ已经求得。
当时刻过渡到t t + ，载荷和位移有一增量，t tti i iF F F +=+ （在v 内） t tti i i T T T +=+ （在S σ内） （1）t tti i i u u u +=+ （在u S 内）现要求解t t + 时刻的位移，应变和应力t tt i i i u u u +=+t tt ij ij ij εεε+=+ （2）t tt ij ij ij σσσ+=+它们应满足的方程和边界条件是：平衡方程,,0ttij j ij j i i F F σσ+++= （在v 内） （3） 应变和位移关系 ,,,,11()()22t t t ij ij i j j i i j j i u u u u εε+=+++ （在v 内） （4） 应力和应变关系epij ijkl kl D τσε= （t t ττ≤≤+ ） （在v 内） （5）边界条件tti i i i T T T T +=+ （在S σ上） （6） t ti i i i u u u u +=+ （在u S 上） （7）且 t ti ij j T n σ=i ij j T n σ= （8）二、增量有限元格式增量形式的虚位移原理：如果时刻t t + 的应力tij ij σσ+ 和体积载荷ti i F F + 及边界载荷ti i T T + 满足平衡条件，则此力系在满足几何协调条件的虚位移()i u δ [在v 内，,,1()()2ij i j j i u u δεδ=+ ，在u S 上，()i u δ =0]上的总虚功等于0，即()()()()()()0t tt ij ij ij i i i i i i vvS dv F F u dv T T u ds σσσδεδδ+-+-+=⎰⎰⎰ （9）将（5）式代入，可得：()()()()()()ep ijkl kl ij i i i i vvS tttij ij i i i i vvS D dv F u dv T u dsdv F u dv T u dsσστεδεδδσδεδδ--=-++⎰⎰⎰⎰⎰⎰（10）其矩阵形式为：()()()()()()T T T ep vvS t ttT T T vvS D dv u Fdv u Tds dv u Fdv u Tdsσστδεεδδδεσδδ--=-++⎰⎰⎰⎰⎰⎰（11）基于增量形式虚位移原理有限元表达格式的建立步骤和一般全量形式完全相同，eu N a =（12）eB a ε=（13）代入（11）式，并利用虚位移任意性，有ep K a Q τ=（14）ep K τ、a、Q分别是系统的弹塑性刚度矩阵、增量位移矢量和不平衡力矢量。
第10卷 第4期 中 国 水 运 Vol.10 No.4 2010年 4月 China Water Transport April 2010收稿日期：2010-03-14作者简介：付先进，中铁第四勘察设计院集团有限公司。
基于plaxis 的超深基坑开挖弹塑性有限元数值计算与分析付先进，林作忠（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430083）摘 要：针对基坑设计传统计算方法的不足，利用Plaxis 软件在考虑地下水、土、结构相互作用下采用弹塑性有限元计算方法对深圳地铁某地下3层换乘车站超深基坑进行数值计算分析，计算出支挡结构的内力和变形、基坑附近地表沉降、基坑底开挖面隆起量等结果，为以后深基坑的计算与设计提供了一种可行的计算分析方法。
关键词：Plaxis；超深基坑；弹塑性有限元中图分类号：TU432 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2010）04-0190-03一、引言随着国家基础建设的跨越式发展，大规模的高层建筑地基基础与地下室、大型地下商场及停车场、地铁车站及交通枢纽、地下变电站的建设都面临着深基坑的问题。
由于工程地质和水文地质条件以及工程场地的复杂多变，对基坑设计的要求越来越高。
而经典的计算方法如极限平衡法、弹性地基梁法（C 法、m 法及K 法）都是只仅仅考虑了支挡结构的内力和变形，无法反映出基坑附近土体的变形、地下水位的变化以及它们同支挡结构的相互作用。
这样就不能反映基坑在开挖过程中基坑外侧土体变形以及地下水位的变化过程中支挡结构内力和变形。
鉴于以上原因本文利用plaxis 软件在考虑地下水、土、结构相互作用下采用弹塑性有限元计算方法对深圳地铁某地下3层换乘车站超深基坑进行数值计算分析，计算出支挡结构的内力和变形、基坑附近地表的沉降、基坑底开挖面的隆起量等结果，为以后更加经济合理地进行深基坑的计算与设计提供了一种有用的参考方法。
二、计算原理土是一种比较特殊的材料，土体的物理力学性质十分复杂，土体是由固态、液态、气态三相介质组成各向异性物质，其物理力学性质受环境变化因素影响很大。
2020.04科学技术创新程度上提高了对火灾检测的准确率。
图1传统的火焰检测效果图2本文的火焰检测效果4结论火灾发生后，现场的环境比较差，在采集图像时，图像受环境影响会导致对比度降低、有噪声并且图像边缘信息受损，提高了火焰检测的复杂度。
本文通过Gamma 校正提高火灾图像的对比度，再通过中值滤波滤除图像中的噪声，使用Otsu 阈值分割算法消除背景干扰，选用人眼适应度较强的HSI 颜色空间对火焰图像进行颜色特征提取，根据火焰图像的形状规律程度选用圆形度形状特征提取火焰的形状特征，提高了火焰检测准确率。
该方法能有效地进行火焰检测，在火灾检测领域具有较大的应用价值与研究意义。
参考文献[1]Verstockt S,Hoecke S V,Beji T,et al.A multi-modal video analysis approach for car park fire detection [J].Fire Safety Journal,2013,57(4):44-57.[2]Ding H J,Fan D,Yao H W.Cable tunnel fire experiments based on linear temperature sensing fire detectors [J].Optics &Precision Engineering,2013,21(9):2225-2230.[3]杨帮华,刘燕燕,何美燕等.多红外火焰探测中基于决策树的火灾识别[J].计算机技术与发展,2013(8):14-17.[4]高伟伟,曹江涛.一种基于RGB 与HIS 颜色空间模型的火焰尺寸检测方法研究[J].辽宁石油化工大学学报,2013,33(3):63-66.[5]刘海峰,张超,罗江,林福良.一种用于中值滤波的改进均值划分算法[J].计算机系统应用,2017,26(3):162-168.[6]李玲.基于视频图像的火灾识别研究[D].广州：华南理工大学,2012.基于有限元软件对隧洞开挖进行模拟分析杨理想贺晓东（西京学院，陕西西安710123）1概述在隧洞开挖过程中，会由于隧洞开挖的进程和地理环境的差别，会导致隧洞周边的地表沉降量和塑型区域发生改变。
双行隧道开挖有限元分析案例说明本案例为某双轨铁路隧道，隧道开挖方法采用传统的新奥法，所谓的新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，并及时进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，同时通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。
开挖过程为先开挖隧道顶部（上台阶开挖）、再开挖台阶和底部（下台阶开挖）。
本文采用GEO5岩土工程有限元分析模块对双行隧道最不利条件下的围岩变形和初始衬砌的受力进行有限元分析。
工程概况本隧道工程修建于某褶皱构造的背斜处，隧道顶部的岩土层最小厚度为22m，隧道初始衬砌的厚度为200mm，喷射混凝土型号为C30。
隧道拱部采用锚杆支护，锚杆材料为Φ22螺纹钢筋，锚杆长度为4.0m。
隧道及围岩结构如图1所示。
图1 隧道及围岩结构示意图岩土层具体的力学参数请参照表1。
表1 岩土材料参数表计算流程本案例采用GEO5岩土工程有限元分析模块进行分析，共分为以下八个工况阶段：1)工况阶段[建模]：分析设置、添加岩土材料、建立几何模型、设置接触面类型及生成网格等。
2)工况阶段[1]：计算初始地应力场。
3)工况阶段[2]：模拟上台阶开挖，分析支护前的围岩变形情况。
4)工况阶段[3]：对隧道拱部进行喷锚支护（初始衬砌，未成熟混凝土）。
5)工况阶段[4]：增强拱部的初始衬砌材料（成熟混凝土）。
6)工况阶段[5]：模拟下台阶开挖，分析支护前的围岩变形情况。
7)工况阶段[6]：对隧道边墙进行喷射混凝土支护（初始衬砌，未成熟混凝土）。
8)工况阶段[7]：增强边墙部位的初始衬砌材料（成熟混凝土）。
工况阶段[建模]GEO5为用户提供了便捷的建模方法，用户可以使用软件自带的建模工具进行地层和隧道建模，也可以直接导入在CAD等软件中已经建好的模型文件。
因为事先我们已经建好了DXF模型文件，所以在这里我们选择直接导入。
隧洞开挖粘弹塑性有限元计算分析
发表时间：2018-06-05T16:01:21.743Z 来源：《基层建设》2018年第9期作者：李加裕1 郑广平2 石熙冉3 熊聪4 [导读] 摘要：本文针对隧洞开挖稳定问题，采用粘弹塑性有限元的计算方法，计算模型为西原模型，分别计算围岩在不同流变时间下的应力和变形，比较不同流变时间下应力变形和破坏区的变化情况，然后施加锚杆，与不考虑锚杆的情况比较。
华能澜沧江水电股份有限公司云南昆明 650000 四川蜀禹水利水电工程设计有限公司四川成都 610000 四川蜀禹水利水电工程设计有限公司四川成都 610000 华能澜沧江水电股份有限公司云南昆明 650000 摘要：本文针对隧洞开挖稳定问题，采用粘弹塑性有限元的计算方法，计算模型为西原模型，分别计算围岩在不同流变时间下的应力和变形，比较不同流变时间下应力变形和破坏区的变化情况，然后施加锚杆，与不考虑锚杆的情况比较。
通过上述计算，可以得出，考虑流变情况下围岩应力变形会进一步发展，甚至可能出现破坏，而锚杆能有效的减少围岩的变形。
对于实际工程，则说明流变问题是影响隧
洞稳定的不可忽略因素，另外，锚杆的施加对抑制围岩的变形效果明显，因此，加锚支护这一手段在隧洞稳定中得到广泛应用。
关键词：围岩；流变；粘弹塑性；有限元；锚杆隧洞开挖稳定问题是公路、铁路、水利水电等工程中常见的工程问题，常用的研究方法主要有工程地质法、现场测试法、模拟实验法、数值分析法等。
其中，数值分析法发展迅速，目前已成为分析围岩稳定的重要方法，以弹塑性有限单元法计算隧洞开挖稳定较为常见，但这一方法忽略了围岩的粘性，即流变性，与工程实际存在明显差异。
本文采用粘弹塑性有限单元法，计算了不同流变时间下围岩的应力、变形和屈服情况，最后比较了施加锚杆与无支护措施下围岩应力、变形和屈服区差异，指出了流变问题是隧洞开挖稳定分析中不可忽略因素，有必要对围岩流变性进行深入研究。
1 工程概况
某水电站位于四川省大渡河中游上段雅安市石棉县，水库正常蓄水位1130.00m，死水位1120.00m。
电站采用首部式开发方式，引水系统单机单管供水，尾水系统按“两机一室一洞”型式布置。
两条尾水洞独立平行布置，尾水洞进口底板高程919.70m，出口底板高程为933.50m，尾水洞为城门洞型，净断面尺寸为15.20m×16.70m，埋深150m～300m，最大可达560m。
岩体以次块状～镶嵌结构为主，主要为Ⅱ、Ⅲ类围岩，但局部洞段可能遇断层破碎带、辉绿岩脉破碎带、裂隙密集带等，为Ⅳ、Ⅴ类围岩。
2 粘弹塑性有限元计算方法 2.1 西原模型的组成
对于岩石流变的研究比较常用的有Maxwell模型、Kelvin模型、Burgers模型、西原模型等。
Maxwell模型无过渡和加速阶段的蠕变，Kelvin模型没有定常和加速阶段的蠕变特性，典型的Burgers模型只能描述材料第三期蠕变以前的粘弹性规律，仅适用于岩性较为软弱的岩体。
西原模型与之相比则能更好的模拟岩石的各种流变特性，应用更广，因此，本文采用发计算模型为西原模型。
西原模型由弹性体（H）、粘弹性体（H//N）以及粘塑性体（N//St.V)三个部分串联而成，如下图所示：
图1 西原模型组成图 2.2 西原模型的本构关系
模型的总应变{ε}由弹性应变{εe}、粘弹性应变{εve}和粘塑性应变{εvp}组成，写成增量形式则有：
式中，[D]为弹性矩阵、η1为粘弹性粘滞系数、[D]ve粘弹性矩阵、γ=1/η2，表示流性系数、F为屈服函数、Q为塑性势函数。
粘塑性应变计算时，在自定义的蠕变程序中，选取等面积圆的Drucker-Prager准则为屈服准则，其屈服条件表达式为：
2.3 锚杆模拟
采用2节点T3D2杆单元进行锚杆的模拟，利用计算软件自带的弹塑性本构关系及相关联流动法则，假定锚杆与周边围岩变形一致, 不考虑两者之间的相对滑移。
3 计算模型与初始地应力分析 3.1 计算模型
根据工程资料，选取工程尾水洞某一断面，城门洞型，埋深300米，通过ANSYS商用软件建立有限元计算模型。
模型采用的是八节点六面体实体单元，垂直边界采用水平链杆约束，底部边界则用垂直链杆约束。
图2 有限元计算模型网格及锚杆图自定义流变程序共有8个计算参数，各参数取值如下表所以：
图3 初始应力场最大及最小主应力等值线图（Pa）通过ABAQUS中地应力自动平衡法进行初始地应力平衡形成计算范围内岩体初始应力场，其大小及分布如图3所示。
4粘弹塑性有限元开挖计算在自定义的蠕变程序中，共模拟了500天的流变过程，为了探索流变规律，选取开挖瞬时、流变200天、流变400天后的应力、应变、位移等进行分析，观察流变对围岩的应力应变和位移的影响。
4.1无支护措施开挖计算
比较无支护措施下开挖瞬时、流变200天、流变400天位移及应力变化可知：随流变时间增加，最大水平位移由2.6cm增加至3.2cm及3.4cm，最大铅直位移由6.7cm增加至7.7cm及7.9cm；围岩全部处于受压状态，无拉应力分布，最大主压应力在4Mpa-14.9Mpa之间，在隧洞开挖边角处应力集中，最大主压应力达到14.9MPa，流变时间增加，最大主压应力数值略有减小，应力集中有所缓解。
在充分考虑流变情况下，围岩变形会进一步发展，如果岩性较差，随流变时间增加，变形不能趋于稳定，隧洞可能因围岩变形过大而失稳破坏。
所以，在隧洞开挖中，应充分考虑流变这一因素，根据变形及应力情况综合考虑是否需采取支护措置及支护方式，确保不会失稳破坏。
4.1施加锚杆开挖计算
比较施加锚杆支护下开挖瞬时、流变200天、流变400天位移及应力变化可知：随流变时间增加，最大水平位移由2.2cm增加至2.6cm 及2.7cm，最大铅直位移由5.6cm增加至6.4cm及6.5cm，增量逐渐减小，有趋于稳定趋势；从应力分布来看，围岩仍全部处于受压状态，无拉应力分布，最大主压应力在3.5Mpa-14.6Mpa之间，最大主压应力值随流变时间增加缓慢减小。
比较有支护及无支护情况：施加锚杆后，围岩水平及铅直位移明显减小，最大主压应力略有降低，应力集中程度较无支护措施下较为缓解。
说明施加锚杆后，对抑制围岩变形、改善围岩应力状态有明显作用，有利于隧洞开挖稳定。
因此，加锚支护这一工程措施在洞室开挖稳定中效果明显、应用广泛。
5结论
1、考虑流变情况，围岩变形会随流变时间增加而逐渐增大，若岩性较差，甚至可能因变形过大而失稳破坏，围岩流变这一因素在隧洞开挖中应予以重视。
2、随流变时间增加，应力集中程度逐渐缓解，围岩应力缓慢释放。
3、施加锚杆后，对围岩变形有明显抑制作用，有利围岩稳定，加锚支护这一措施效果明显、应用广泛。
4、施加锚杆后，围岩应力有所减小，应力集中程度降低，有利改善围岩应力状态。
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