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求解围岩特征曲线

FLAC3D小技巧

6月前浏览1333

摘要：利用FLAC3D 7.0软件求解不同埋深（50m、100m、150m、200m）、不同衬砌参数影响下的围岩特征曲线。

1.围岩特征曲线的定义

围岩的特征曲线，亦称为围岩的支护需求曲线。它形象的表明围岩在洞室周边所需提供的支护阻力及与其周边位移的关系。

2.求解

同一围岩级别下，相同隧道埋深情况下，通过改变衬砌的强度（修改体积模量及剪切模量）分别求解相应强度下隧道收敛平衡时的拱顶竖直位移和应力，根据所得数据绘制该围岩级别下相应埋深的围岩——支护特征曲线。

3.建模及计算要求

圆形隧道外径为10m，衬砌厚度为30cm，模型宽度为50m，隧道埋深200m（本次计算模型上表面取至埋深50m处，通过施加荷载模拟埋深），模型底与隧道底高度为50m。计算得到V级围岩与IV级围岩情况下围岩支护特征曲线（本文只计算Ⅳ级围岩），衬砌、围岩均采用摩尔库伦本构。

4.材料参数

具体材料参数如下表所示：

表4-1 材料力学参数表

5.衬砌参数不变，埋深改变

import itasca as itimport matplotlib.pyplot as mplit.command("python-reset-state false")# rock porperties of grade IV in N-m-s unit systemdens4 = 2600.0E4 = 2.0e9v4 = 0.3coh4 = 0.15e6fric4 = 30.0# lining porperties in N-m-s unit systemdensC = 2500.0EC = 31.5e9vC= 0.2cohC = 3.2e6fricC = 50.0disp = []zstress = []for i in range(4):    print(i)    buried_depth_inc = i*50    overburden = -1*dens4*9.81*buried_depth_inc    print(overburden)    it.command("""       model new       model largestrain off       zone import 'mesh.f3grid'       ;赋予本构及参数       zone cmodel assign mohr-coulomb       zone property young {} poisson {} density {} cohesion {} friction {}       ;赋予边界条件       zone face skin       zone face apply velocity-normal 0 range group 'west' or 'east'       zone face apply velocity-normal 0 range group 'south' or 'north'       zone face apply velocity-normal 0 range group 'bottom'       ;设置重力并求解初始地应力       model gravity 9.81       zone initialize-stresses overburden {}       zone face apply stress-normal {}       model solve elastic       ;清除初始位移、速度及塑性区       zone gridpoint initialize displacement (0,0,0)       zone gridpoint initialize velocity (0,0,0)       zone initialize state 0       ;开挖及支护       zone cmodel assign null range  group 'cut' or 'lining'       zone cmodel assign mohr-coulomb range group 'lining'       zone property young {} poisson {} density {} cohesion {} friction {} range group 'lining'       ;求解       model solve   """.format(E4,v4,dens4,coh4,fric4,overburden,overburden,EC,vC,densC,cohC,fricC))    gpnt = it.gridpoint.near((25,0.5,59.7))    zpnt = it.zone.find(6686)    disp.append(-1.0*gpnt.disp_z())    zstress.append(-1.0*zpnt.stress()[2][2])# 绘制围岩特征曲线mpl.plot(disp,zstress,color = 'black' ,linewidth = 1.0,marker = '*',markerfacecolor = 'red')mpl.title("Characteristic curve of surrounding rock")mpl.ylabel("stress/(Pa)")mpl.xlabel("disp/(m)")#C:\Users\18190\Desktop\case-01\为项目路径，根据实际路径进行替换mpl.savefig(r'C:\Users\18190\Desktop\case-01\buried_depth.png', dpi=600)mpl.show()

图5-1 围岩特征曲线

6.埋深不变，衬砌参数改变

import itasca as itimport matplotlib.pyplot as mplit.command("python-reset-state false")# rock porperties of grade IV in N-m-s unit systemdens4 = 2600.0E4 = 2e9v4 = 0.3coh4 = 0.15e6fric4 = 30.0# lining porperties in N-m-s unit systemdensC = 2500.0EC = [31.5e10,31.5e9,31.5e8,31.5e7,31.5e6]vC= 0.2cohC = 3.2e6fricC = 50.0disp = []zstress = []for i in range(5):    print(i)    print(EC[i])    it.command("""        model new        model largestrain off        zone import 'mesh.f3grid'        ;赋予本构及参数        zone cmodel assign mohr-coulomb        zone property young {} poisson {} density {} cohesion {} friction {}        ;赋予边界条件        zone face skin        zone face apply velocity-normal 0 range group 'west' or 'east'        zone face apply velocity-normal 0 range group 'south' or 'north'        zone face apply velocity-normal 0 range group 'bottom'        ;设置重力并求解初始地应力        model gravity 9.81        zone initialize-stresses        model solve elastic        ;清除初始位移、速度及塑性区        zone gridpoint initialize displacement (0,0,0)        zone gridpoint initialize velocity (0,0,0)        zone initialize state 0        ;开挖及支护        zone cmodel assign null range group 'lining' or 'cut'        zone cmodel assign mohr-coulomb range group 'lining'        zone property young {} poisson {} density {}  cohesion {} friction {} range group 'lining'        ;求解        model solve    """.format(E4,v4,dens4,coh4,fric4,EC[i],vC,densC,cohC,fricC))    gpnt = it.gridpoint.near((25,0.5,59.7))    zpnt = it.zone.find(6686)    disp.append(abs(gpnt.disp_z()))    zstress.append(-1.0*zpnt.stress()[2][2])# 绘制围岩特征曲线mpl.plot(disp,zstress,color = 'r' ,linewidth = 1.0,marker = '*',markerfacecolor = 'black')mpl.title("Characteristic curve of surrounding rock")mpl.xlabel("disp/(m)")mpl.ylabel("stress/(Pa)")#路径说明同上mpl.savefig(r'C:\Users\18190\Desktop\case-01\E_changed.png', dpi=600)mpl.show()

图6-1 围岩特征曲线

来源：FLAC3D小技巧

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首次发布时间：2023-12-26