有限元法笔记.doc

《有限元法笔记.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、文献笔记一、地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟1.解决的问题：预测盾构穿越所引起的地层位移，确保已有建(构)筑物正常使用和盾构的顺利掘进。2.基本思路：在前人工作的基础上，提出一种盾构施工三维有限元模拟方法，综合考虑盾构推进、开挖面前方及隧道壁面土体的剪切扰动、盾构刀盘超挖空隙和盾尾空隙的闭合、盾尾注浆等因素，分析了盾构推进过程中隧道周围及地表处土体的位移和变形以及横断面不同深度上的沉降分布规律。3.盾构施工引起土层移动的主要因素：a.开挖面土体开挖应力释放b.刀盘超挖引起的间隙c.盾构与周围土体的错动d.盾构前行产生盾尾空隙e.盾尾注浆f.衬砌变形4.三维有限元模拟盾构

2、施工的步骤：三维有限元模拟盾构施工的计算流程图如图2所示。具体的模拟步骤如下：第1步：计算地层初始应力。第2步：盾构机每向前推进1环管片作如下变化：(1)单元材料变化将开挖面向前推进1环管片的距离，同时变换单元材料，单元材料变化情况如图3所示，图中虚线表示被挖掉的土单元。(2)荷载的模拟①位于新开挖面前方的一层土单元应力由静止土压力状态{k0σz，k0σz，σz}T变为各向等压状态{σs，σs，σs}T，其中k0为静止土压力系数，σs为土压舱压力。根据式{DF}e=òòò[B]T{Dσ}dxdydz计算由应力变化产生的结点荷载，并将其作用在单元结点上。②使开挖面上隧道外围的一层土单元结

3、点上发生盾构刀盘超挖位移，盾尾衬砌外围土单元结点发生盾尾建筑空隙位移。当土体接触到盾构壳或者衬砌外壁时，再将盾构壳和衬砌单元激活，使它们与土体共同作用。③在浆液单元外围结点上加远离盾构中心方向的注浆压力。④在盾构壳后部单元结点上加指向盾构推进方向的结点力，同时在其后部的管片单元结点上加反向的结点力，前后结点力的总和相等，且等于千斤顶推力的总和。⑤在盾尾后1环管片结点上加竖直向上的结点力，总和等于1环管片内部挖去土体的重量，模拟开挖土体引起的竖向卸荷。重复第2步直到计算结束。5.有限元分析模型及其参数：某盾构隧道采用土压平衡式盾构。盾构机长8.0m，盾构外径6.34m，盾构壳厚7cm，盾

4、构刀盘外径比盾构壳外径大1cm；管片宽1m，厚35cm。千斤顶总推力14000kN。地基土层自上而下依次为：杂填土(0～3.0m)、粘质粉土(3.0～9.0m)、淤泥质粘土(9.0～14.0m)、粉质粘土(14.0～28.0m)、砂质粘土(28.0～38.0m)、粉砂(38.0m以下)。隧道中心线埋深20m(位于粉质粘土层中)。有限元计算网格如图4所示，分析区域竖向深50m，宽60m，沿隧道纵向长150m。共5040个单元，6105个节点。计算中土体采用邓肯–张E-u模型，盾构壳和管片采用线弹性材料，各层土的基本物理力学指标及邓肯–张E-u模型参数见表1，2。6.有限元分析结果及所用到

5、的曲线：6.1周围土体的位移：a.横断面位移矢量图b.纵断面位移矢量图6.2地表位移：a.隧道横断面地面位移曲线b.隧道纵断面计算与实测地面沉降曲线6.3不同深度处的沉降分布:a.隧道横断面不同深度处的沉降曲线一、盾构掘进过程土体变形特性数值模拟1.解决的问题：运用三维有限差分软件FLAC3D对盾构掘进工程进行了数值仿真。2.基本思路：仿真过程中考虑了盾构机、注浆压力、土仓压力等因素，得到了地表沉降槽和土体纵向变化规律，并与实测结果进行了对比。3.盾构掘进模拟过程:1、计算土体的自重应力，得到原始应力场，把所有节点位移赋值为零；2、用modelnull命令挖出y方向30m左隧道内的土体

6、、衬砌和注浆部位的土体；3、在y=24～30m内的衬砌和注浆部位，换算为盾构壳的密度、弹性模量和泊松比；4、在y=0～18m内注浆体假定为凝状态；5、在y=18～24m内注浆体假定为未凝固状态；6、在y=0～24m内的衬砌组部分设置未混凝土衬砌材料；7、在y=18～24m内注浆体半径3.1m、3.2m的圆筒面上设置注浆压力为0.2MPa；8、在土体开挖面上即y=30m的隧道范围内设置压力为0.2MPa，模拟土仓压力。4.FLAC3D建模:（1）材料参数：所有材料参数见表1。5.FLAC3D数值模拟模型:参考有关有限元文献的分析结果，本模型计算范围取x方向84m，y方向72m，z方向49

7、.4m，计算结果表明，该模型范围满足计算要求。计算模型共划分7284个单元，8112个节点。如图2，3所示。模型的边界条件为：垂直于x=0、x=84、y=0、y=72的面上的法线方向被约束，底面z=0上为固定约束。6.结果分析曲线：a.地表沉降b.沿隧道轴线地表沉降c.计算的地表沉降槽与实测比较d.覆土厚度8m时的地表隆起位移一、盾构千斤顶推力变化对地面变形的影响1.解决的问题：研究了盾构推进力的变化对地面变形的影响。2.基本思路：采用三维弹塑