ANSYS三维弹塑性结构分析在地下工程围岩稳定性评价中的应用

摘要

地下工程围岩稳定性研究无论是在理论研究还是在实际应用等方面都取得了重大进展。但由于研究对象的特殊性和复杂性，目前还不能十分有效地防治重大工程安全事故的发生。因此，有必要对其进一步深入研究。 本文在对国内外围岩稳定性评价研究现状进行综述的基础上，扼要阐述了三维结构弹塑性有限元的基本原理，介绍了ANSYS程序结构及其弹塑性分析的基本过程。以某矿采空区围岩稳定性评价为例，建立了矿体开采的三维数值模拟模型，并使用有限元程序ANSYS5.6版本对矿体深部开采过程中的地压活动规律进行了三维弹塑性模拟。通过对计算所得的围岩应力分布、塑性区范围和+230m水平钢筋混凝土隔离层单元变形情况进行分析，评价了采空区围岩稳定性。研究成果对地下工程结构稳定性分析具有指导作用，并为相关领域的围岩稳定性评价工作提供参考。 主要结论如下：(1)利用大型通用有限元程序ANSYS模拟地下岩土介质的开挖(采)过程是方便可行的。ANSYS强大的功能可以建立大型而复杂的三维模型和快捷地实现有限元网格的自动划分、能够确保计算的准确性以及方便地读取分析结果。 (2)有限元计算结果表明，在充填的情况下，采空区围岩是安全的，但存在局部失稳的可能。 (3)有限元计算结果表明，三维计算模型边界的取值是合适的。在水平面范围内受矿体开采影响较大的区域不超过150m。 (4)矿床开采充填过程的ANSYS模拟结果表明，随着开采深度的增加，在+230m水平钢筋混凝土隔离层上的应力也进一步增大；当矿体开采充填到+200m水平的时候，钢筋混凝土隔离层上盘出现了大范围的塑性区。 (5)有限元计算结果显示，随着开采深度的增加，在采空区围岩中应力的集中程度也进一步增加。应力集中程度较大的地方主要位于矿体的西北和东南端，预计在该部分采场地压显现比较剧烈。 (6)数值模拟结果表明，在采用充填法充填采空区的情况下，+200m水平以下的开采活动对+230m水平钢筋混凝土隔离层的影响不大，塑性区及应力的增加程度均不明显。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.2国内外研究现状及发展动态

1.2.1稳定性研究方法

1.2.2数值分析方法及程序

1.2.3稳定性判据

1.3研究的目的、意义及拟定的研究内容和方法

1.3.1研究的目的、意义

1.3.2拟定的研究内容及方法

2三维地下结构弹塑性静态分析有限元法

2.1引言

2.4理想塑性材料弹塑性矩阵

2.5非线性方程组解法

2.6弹塑性有限元法

2.6.1弹塑性有限元法基本方程

2.6.2单元选择矩阵[A]e

2.6.3形函数

2.6.4单元应力增量{△σ}i的确定

3.2.1建模过程

3.2.2加载和求解

3.2.3考察结果

4某矿100号矿体开采过程的三维数值模拟

4.1矿区基本情况

4.1.1矿体产状

4.1.2围岩物理力学特征

4.1.3矿区水文地质特征

4.1.4矿体开采现状及采矿方法

4.2三维有限元计算模型

4.2.1计算模型

4.2.2计算模型岩体力学参数

4.2.3模型边界载荷的确定

4.2.4数值模拟计算步骤

4.3三维有限元计算结果及分析

4.4采空区围岩稳定性评价

附图1

附图2

5结论及建议

5.1结论

5.2建议

致谢

参考文献