ANSYS在岩土和地下工程中的应用.pdf

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1、在岩土和地下工程中的应用第六章ANSYS在岩土和地下工程中的应用岩土介质的力学性质非常复杂，影响其应力和变形的因素很多，例如岩土的结构、孔隙、密度、应力历史、荷载特征、孔隙水及时间效应等等，在如此之多的因素作用下要获得理论解几乎是不可能的，而用ANSYS可以很好地模拟岩土的力学性能，包括对断层、夹层、节理、裂隙和褶皱等地质情况的模拟；工程结构大多建筑在土基上，土体与结构的相互作用直接影响到结构的受力和变形情况，过去限于计算方法，结构设计中对于土体与结构的相互作用以及地基或桩基的沉降过程，只能作一些粗糙的假定，使得计算结果与实际情况相差很远，而ANSYS可以考虑非线性应力-应变

2、关系及分期施工过程，使得实际情况在计算中得到较好的反映；此外用ANSYS还可以分析岩土的应力-变形与稳定性；边坡应力及稳定性；在复杂岩基中，边坡和硐室锚固效应分析；爆破及地震应力波的传播及其对结构的破坏作用；路基、底座、深基、桩等的承载能力与沉陷分析；土壤与钢筋混凝土道路主体间的相互作用；锚固钢缆、预应力钢筋、钢支撑、隧道加强筋等钢结构与岩土和混凝土在温度和外力作用下裂隙的分布与扩展过程模拟。一、ANSYS在岩土开挖过程中的应用地下洞室、厂房、隧道在开挖前，岩体中的每个质点均受到天然应力的作用而处于平衡状态。开挖后，周边的岩体失去了原有岩体的支撑，破坏了原有的受力平衡状态，围

3、岩就要向洞内空间膨胀，这样就改变了邻近岩体质点的相对平衡关系，引起了围岩应力的重分布。计算围岩重分布应力是一个复杂而困难的课题，随着岩体的力学属性、开挖形状、天然应力和计算方法的不同而不同。由于ANSYS可以提供独特的用来模拟结构开挖过程的“生/死（Birth/Death）”单元，所以可以很方便地进行岩体开挖和锚杆支护过程仿真及优化开挖顺序、岩土填筑过程仿真。利用ANSYS还可模拟岩基、边坡和隧道在不同施工条件下、不同开挖顺序下，边帮及地板的回弹、错动以及高地应力区岩爆发的过程。桐柏抽水蓄能电站该电站位于浙江省天台县境内，输水隧洞与厂房交叉，总共四台机组组成一个复杂的地下空间

4、结构。武汉大学土木建筑工程学院用ANSYS进行了厂房开挖过程的仿真分析。进行了多种方案的开挖、加锚、衬砌支护过程的仿真，计算中用死活单元模拟开挖、支护过程，效果较好，所得的结论被国家电力公司华东勘察设计研究院所采用，为其设计、监测和施工提供了图6.1厂房开挖部分的网格有指导意义的准则。图6.1为厂房开挖部分的网格，图6.2为2#机组塑性区。土木工程解决方案42图6.22#机组塑性区某厂房有限元模型如图6.3，第一次、第二次、第三次挖掉的单元分别如图6.4、6.5和6.6，对称面处位移分布如图6.7。通过ANSYS软件的数值模拟，为厂房开挖提供了科学的开挖顺序，节省了开挖成本，

5、节约了时间。图6.3开挖之前的有限元模型图6.4第一次挖掉的单元图6.5第二次挖掉的单元图6.6第三次挖掉的单元图图6.7对称面处合位移等值线43土木工程解决方案在岩土和地下工程中的应用某基坑平面形状为X形，用ANSYS对开挖过程进行模拟。为减小计算规模，根据对称性原理，取1/2结构进行计算。图6.8为基坑周围部分有限元模型，图6.9为开挖部分有限元模型。图6.10和图6.11分别为开挖后，基坑的竖向位移和最大主应力分布情况。根据计算结果分析可知，在无支护条件图6.8基坑周围部分有限元模型下，基坑开挖后坑壁向内产生位移，且随着深度增加而增加。该计算结果合理，与现场测试结果基本

6、一致。图6.9开挖部分有限元模型图6.10竖向位移图6.11最大主应力分布二、ANSYS在隧道设计中的应用埋藏在岩石中隧道衬砌的应力计算是一个十分复杂的接触问题。过去工程设计中，先假设岩石具有一定的抗力系数，然后按结构力学方法计算，这种计算方法并不能反映围岩与衬砌相互作用的真实情况，但是用ANSYS可以很方便地定义出衬砌与岩石的接触关系，从而比较真实地模拟出衬砌的应力状态。某隧道的有限元模型如图6.12用ANSYS对衬砌的应力分布情况进行分析，图6.13为岩体和衬砌的应力分布情况，图6.14为边墙的主应力分布方向和塑性变形；该分析结果与实测值吻合的很好。图6.12隧道的1/2

7、有限元模型土木工程解决方案44图6.13隧道衬砌和岩体的应力分布图图6.14边墙的主应力分布方向和塑性变形某钢筋混凝土地道如图6.15。考虑到周围土体与结构的相互作用，有限元模型如图6.16。图6.17为地道在外载荷作用下的位移分布情况。用ANSYS进行隧道的辅助设计，可以尽可能节省工图6.15钢筋混凝土地道程成本，优化设计结果。图6.16有限元模型图6.17地道的位移分布图6.18加筋量计算45土木工程解决方案在岩土和地下工程中的应用三、ANSYS在土体与结构相互作用中的应用深埋式大直径薄壁圆柱壳结构