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岩体地下洞室准三维有限元解析及应用

石广斌  
【摘要】:岩体地下洞室开挖支护过程模拟是非常复杂的力学作用过程。工程上常常简化二维平面问题模拟,以避免三维分析建模的巨大工作量和复杂地质构造体模拟的困难,然而由于岩体初始地应力、地质构造面等的影响,单纯的常规二维分析模型,往往给分析造成较大的误差,本文提出了一种既能考虑不同空间地应力方向及地质构造面空间影响,又能使分析模型简化成二维模型的准三维有限元模型,主要研究成果为: (1)建立了准三维6结点三角形实体单元有限元解析模型,编写了相关分析软件,通过算例对比分析验证了数值模型的可靠性与所编软件的分析精度。 (2)建立了6结点准三维接触单元有限元解析模型,编写了相关分析软件,通过算例对比分析验证了数值模型的可靠性与所编软件的分析精度。 (3)建立了准三维6结点四边形曲梁单元有限元解析模型,编写了相关分析软件,通过算例对比分析验证了数值模型的可靠性与所编软件的分析精度。 (4)通过分析水平主应力方位与地下洞室轴线方向夹角β对平面、准三维、三维模型分析结果的影响得出:a)分析剖面内准三维模型的变形误差不超过10%,而平面达到20.0%;b)准三维模型应力误差不大于8.0%,而平面模型的应力误差一般在20%~30%;c)当β≤15°或β≥75°,准三维模型应力误差小于5.0%,平面模型达到15.0%,可用平面和准三维模型分析;而当15°<β<75°,准三维模型应力误差小于8.0%,平面模型误差在20%~30%,不宜用平面模型分析,而宜用准三维或三维模型分析。 (5)通过分析岩体结构面走向与地下洞室轴线方向夹角ω对平面、准三维、三维接触模型分析结果的影响得出:a)ω对准三维接触单元分析结果影响率为6.0%~18.0%,平面接触单元为8.0%~30.0%;b)当ω≤15°,准三维模型误差小于8.0%,平面模型达到15.0%,可用平面和准三维模型分析;当15°<ω≤30°,


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