隧道开挖Hoek-Brown模型和Mohr-Coulomb模型比较

1. 引言

作为一个通用的有限元分析软件，COMSOL在解决岩土力学问题上有许多与专用岩土力学软件不同的设置方法，例如压力公式和应变公式的设置；初始应力和应变的设置以及模拟开挖的方式等。

本文的初始意图是测试COMSOL的Hoek-Brown模型【一个Hoek-Brown材料边坡稳定性的对比分析】，算例为在一个均质的各向同性的岩层中，距地表15m下开挖一条半径为5m的隧道；然后用Hoek-Brown推导出的等效Mohr-Coulomb参数进行了相同的计算。

2. 计算步骤

首先在自重应力作用下让模型达到平衡状态，然后进行开挖。COMSOL使用了Activation scale factor方法模拟开挖。

3. Hoek-Brown解

岩体材料参数取自【三轴试验数据拟合Hoek-Brown准则的简洁方法(Best-Fit of Triaxial Lab Data)】的第一个例子，在comsol的输入如下所示：

位移

等效塑性应变

地表沉降

应力

4. Mohr-Coulomb解

Mohr-Coulomb模型的材料参数全部由Hoek-Brown准则推导而来，在cosmol的输入如下所示。

位移

等效塑性应变

5. 结束语

比较显示Hoek-Brown模型的计算值普遍比Mohr-Coulomb模型的计算值小很多，与预想结果有较大差异。

使用COMSOL的关键技巧：

(1) 几何模型的布尔操作(Union)

(2) 重载材料模型(Hoek-Brown)

(3) 初始应力和应变设置

(4) 开挖模拟设置(活化 Activation)

(5) 边界条件设置(对称、固定、辊支撑)

(6) 重力设置

(7) 网格划分

(8) 增加预定义图

(9) 等效塑性应变