 |
حفاری تونل
معرفی
این مثال به بررسی رفتار خاک در حین حفاری تونل می پردازد. نشست سطح و عرض ناحیه پلاستیکی اطراف تونل پارامترهای مهمی هستند که برای پیش بینی آرماتورهای مورد نیاز در حین حفاری لازم است. این مدل تأیید از Ref اقتباس شده است. 1 و رفر. 2 .
تنش های درجا در دو مرحله محاسبه می شوند. در مطالعه اول وضعیت تنش خاک قبل از خاکبرداری محاسبه شد. در مطالعه دوم رفتار الاستوپلاستیک پس از حذف خاک بررسی شده است. این نیاز به ترکیب پاسخ استرس محاسبه شده در مطالعه اول دارد. حذف خاک با استفاده از ویژگی Activation در مدل مواد الاستیک خطی مدل‌سازی می‌شود.
به منظور تسریع در محاسبه، خاک در مرحله اول کشسان در نظر گرفته می شود و تنها در مرحله دوم، مدل پلاستیسیته خاک دراکر-پراگر اضافه می شود. مثال به صورت دو بعدی با شرایط کرنش صفحه حل شده است.
تعریف مدل
هندسه از یک لایه خاک تشکیل شده است که 45 متر عمق و 90 متر عرض دارد. یک تونل به قطر 10 متر در محور تقارن، 20 متر زیر سطح قرار داده شده است. یک سنگ بستر، 45 متر زیر سطح، جابجایی را در جهت عمودی محدود می کند، و یک مرز غلتکی برای مدل سازی گسترش بی نهایت خاک در جهت جانبی استفاده می شود.
شکل 1: ابعاد و شرایط مرزی مدل حفاری تونل.
خواص خاک
خواص خاک از Ref. 2 .
• | مدول یانگ، E = 12 مگاپاسکال و نسبت پواسون ν = 0.495 . |
• | چسبندگی c = 130 کیلو پاسکال و زاویه اصطکاک داخلی = 30 درجه .  |
• | از معیار دراکر-پراگر استفاده کنید و پارامترهای مواد را با معیار موهر-کولن مطابقت دهید. |
محدودیت ها و بارها
• | در مرز پایین، جابجایی را با یک محدودیت ثابت ثابت کنید. |
• | از شرط تقارن در مرز چپ و شرط غلتکی در مرز راست استفاده کنید. |
• | یک گره Gravity اضافه کنید تا اثرات گرانش را در نظر بگیرید. |
نتایج و بحث
شکل 2 توزیع تنش ناشی از گرانش را نشان می دهد. مرزهای غلتک و تقارن یک تغییر عمودی خطی از تنش ایجاد می کنند.
شکل 2: تنش فون میزس در لایه خاک قبل از حفاری.
شکل 3 توزیع تنش را پس از حفاری تونل نشان می دهد. به افزایش تنش در دیواره تونل توجه کنید.
شکل 3: تنش فون میزس در لایه خاک پس از خاکبرداری.
در مرحله دوم، علاوه بر حذف دامنه تونل، ویژگی پلاستیسیته خاک گنجانده شده است. در شکل 4 ، ناحیه ای که تغییر شکل پلاستیک را تجربه می کند نشان داده شده است.
شکل 4: تغییر شکل های پلاستیکی نزدیک به دیواره تونل رخ می دهد.
جابجایی افقی و نشست سطح بالایی در اثر حفاری در شکل 5 و شکل 6 نشان داده شده است .
شکل 5: جابجایی افقی در سطح بالایی.
شکل 6: نشست سطحی.
منابع
1. D. Potts و L. Zdravkovic، تحلیل المان محدود در مهندسی ژئوتکنیک ، انتشارات توماس تلفورد، 2001.
2. H. Schweiger، “نتایج از تمرینات معیار عددی در ژئوتکنیک،” Proc. پنجمین کنفرانس اروپایی روش‌های عددی در مهندسی ژئوتکنیک ، صفحات 305–314، 2002.
مسیر کتابخانه برنامه: ژئومکانیک_ماژول/خاک/تونل_حفاری
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard روی  2D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Structural Mechanics>Solid Mechanics (جامد) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
مستطیل 1 (r1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width عدد 90 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، 45 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن y ، -45 را تایپ کنید . |
6 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
دایره 1 (c1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Circle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دایره ، بخش اندازه و شکل را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Radius ، 5 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت نوشتار زاویه بخش ، 180 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن y ، -20 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Rotation Angle را پیدا کنید . در قسمت متن چرخش ، 270 را تایپ کنید . |
7 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
فرم اتحادیه (فین)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Form Union (fin) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات Form Union/Assembly ، روی  Build Selected کلیک کنید . |
در مرحله اول از هندسه کامل و یک ماده الاستیک خطی استفاده کنید.
مکانیک جامدات (جامدات)
مواد الاستیک خطی 1
از آنجایی که نسبت پواسون نزدیک به 0.5 است، برای جلوگیری از اثرات قفل شدن، از فرمول ترکیبی استفاده کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Solid Mechanics (solid) روی Linear Elastic Material 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مواد الاستیک خطی ، قسمت Linear Elastic Material را پیدا کنید . |
3 | از لیست استفاده از فرمول ترکیبی ، فرمول فشار را انتخاب کنید . |
تقارن 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Symmetry را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 1 و 3-5 را انتخاب کنید. |
محدودیت ثابت 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Fixed Constraint را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
غلتک 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Roller را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 7 را انتخاب کنید. |
جاذبه 1
در نوار ابزار Physics ، روی Global کلیک کنید و Gravity را انتخاب کنید .
Global کلیک کنید و Gravity را انتخاب کنید .مواد الاستیک خطی 1
در پنجره Model Builder ، روی Linear Elastic Material 1 کلیک کنید .
پلاستیک خاک 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Attributes کلیک کنید و Plasticity خاک را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for Soil Plasticity ، بخش Soil Plasticity را پیدا کنید . |
3 | تیک گزینه Match to Mohr-Coulomb را انتخاب کنید . |
یک گره استرس و کرنش اولیه اضافه کنید و آن را فقط در مطالعه دوم فعال کنید تا تنش‌های درجا ناشی از گرانش را دریافت کنید.
مواد الاستیک خطی 1
در پنجره Model Builder ، روی Linear Elastic Material 1 کلیک کنید .
استرس و کرنش اولیه 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Attributes کلیک کنید و Initial Stress and Strain را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای استرس و فشار اولیه ، بخش استرس و فشار اولیه را پیدا کنید . |
3 | در جدول S 0 تنظیمات زیر را وارد کنید: |
withsol(‘sol1’، solid.sx) | withsol(‘sol1’، solid.sxy) | withsol(‘sol1’، solid.sxz) |
withsol(‘sol1’، solid.sxy) | withsol(‘sol1’، solid.sy) | withsol(‘sol1’، solid.syz) |
withsol(‘sol1’، solid.sxz) | withsol(‘sol1’، solid.syz) | withsol(‘sol1’، solid.sz) |
برای مدل سازی حذف خاک، یک گره فعال سازی به مواد الاستیک خطی اضافه کنید. برای غیرفعال کردن مواد، عبارت فعالسازی روی صفر تنظیم می‌شود. سفتی الاستیک مواد خاک با ضریب مقیاس فعال سازی ضرب می شود.
مواد الاستیک خطی 1
در پنجره Model Builder ، روی Linear Elastic Material 1 کلیک کنید .
فعال سازی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Attributes کلیک کنید و Activation را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای فعالسازی ، قسمت فعالسازی را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متنی ضریب مقیاس فعال سازی ، 1e-9 را تایپ کنید . |
مواد
مواد 1 (mat1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material Contents را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
مدول یانگ | E | 12[MPa] | پا | مدول یانگ و نسبت پواسون |
نسبت پواسون | نه | 0.495 | 1 | مدول یانگ و نسبت پواسون |
تراکم | rho | 2000 | کیلوگرم بر متر مکعب | پایه ای |
انسجام | انسجام | 130 [کیلو پاسکال] | پا | موهر کولن |
زاویه اصطکاک داخلی | داخلی | 30 [درجه] | راد | موهر کولن |
مش 1
مثلثی رایگان 1
در نوار ابزار Mesh ، روی Free Triangular کلیک کنید .
Free Triangular کلیک کنید .اندازه
1 | در پنجره Model Builder ، روی Size کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت اندازه عنصر را پیدا کنید . |
3 | از لیست Predefined ، Finer را انتخاب کنید . |
توزیع 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Free Triangular 1 کلیک راست کرده و Distribution را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 8 و 9 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای توزیع ، بخش توزیع را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متنی Number of Elements عدد 12 را تایپ کنید . |
5 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
از دو مطالعه ثابت استفاده کنید. اولین مورد برای محاسبه تنش های درجا استفاده می شود. مطالعه دوم برای محاسبه تغییر شکل الاستوپلاستیک ناشی از حفاری تونل استفاده می شود.
مطالعه: قبل از حفاری
1 | در پنجره Model Builder ، روی Study 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، Study: Before Excavation را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
مرحله 1: ثابت
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Study: Before Excavation روی Step 1: Stationary کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، بخش Physics and Variables Selection را پیدا کنید . |
3 | تیک Modify model configuration for study step را انتخاب کنید . |
4 | در درخت، Component 1 (comp1)> Solid Mechanics (solid)> Linear Elastic Material 1> Soil Plasticity 1 , Component 1 (comp1) > Solid Mechanics (solid)> Linear Elastic Material 1> Initial Elastic Material 1 را انتخاب کنید و جزء 1 (comp1)> مکانیک جامدات (جامد)> مواد الاستیک خطی 1> فعال سازی 1 . |
5 |  روی Disable کلیک کنید . |
اضافه کردن مطالعه
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study باز شود . |
2 | به پنجره Add Study بروید . |
3 | زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
4 | روی Add Study در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study بسته شود . |
مطالعه: پس از حفاری
1 | در پنجره Model Builder ، روی Study 2 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، Study: After Excavation را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
مطالعه: قبل از حفاری
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی محاسبه کلیک کنید .
روی محاسبه کلیک کنید .مطالعه: پس از حفاری
روی محاسبه کلیک کنید .نتایج
استرس: قبل از حفاری
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی Stress (solid) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح دوبعدی ، Stress: Before Excavation را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
سطح 1
در پنجره Model Builder گره Stress: Before Excavation را گسترش دهید .
تغییر شکل
1 | در پنجره Model Builder ، گره Surface 1 را گسترش دهید ، سپس روی Deformation کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تغییر شکل ، بخش مقیاس را پیدا کنید . |
3 | چک باکس Scale factor را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 1 را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار Stress: Before Excavation ، روی  Plot کلیک کنید . |
5 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
نمودار پیش فرض دوم تنش فون میزس در خاک را پس از حفاری تونل نشان می دهد.
استرس: پس از حفاری
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Stress (solid) 1 را گسترش دهید ، سپس روی Stress (solid) 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، Stress: After Excavation را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
تغییر شکل
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Stress: After Excavation>Surface 1 را گسترش دهید، سپس روی تغییر شکل کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تغییر شکل ، بخش مقیاس را پیدا کنید . |
3 | چک باکس Scale factor را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 1 را تایپ کنید . |
فیلتر 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Filter 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای فیلتر ، قسمت انتخاب عنصر را پیدا کنید . |
3 | از لیست گره های عنصر برای تکمیل عبارت ، همه را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Stress: After Excavation ، روی  Plot کلیک کنید . |
5 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
6 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Predefined Plot کلیک کنید . |
طرح از پیش تعریف شده را اضافه کنید
1 | به پنجره Add Predefined Plot بروید . |
2 | در درخت، Study: After Excavation/Solution 2 (sol2)>Solid Mechanics>Equivalent Plastic Strain (جامد) را انتخاب کنید . |
3 | روی Add Plot در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
4 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Predefined Plot کلیک کنید . |
نتایج
منطقه پلاستیک: پس از حفاری
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش Results روی Equivalent Plastic Strain (solid) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح دو بعدی ، منطقه پلاستیکی: بعد از حفاری را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
سطح 1
1 | در پنجره Model Builder ، Plastic Region: After Excavation node را گسترش دهید، سپس روی Surface 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Expression ، solid.epeGp>0 را تایپ کنید . |
این یک عبارت بولی است که 1 در ناحیه پلاستیک و 0 در جاهای دیگر است.
4 | کادر بررسی توضیحات را پاک کنید . |
تغییر شکل 1
1 | روی Surface 1 کلیک راست کرده و Deformation را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تغییر شکل ، بخش مقیاس را پیدا کنید . |
3 | چک باکس Scale factor را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 1 را تایپ کنید . |
4 | در منطقه پلاستیک: بعد از نوار ابزار حفاری، روی  Plot کلیک کنید . |
5 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
منطقه پلاستیک: پس از حفاری
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی Plastic Region: After Excavation کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، برای گسترش بخش Selection کلیک کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
4 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
5 | در منطقه پلاستیک: بعد از نوار ابزار حفاری، روی  Plot کلیک کنید . |
جابجایی افقی: بعد از حفاری
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، Horizontal Displacement: After Excavation را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست مجموعه داده ها ، مطالعه: پس از حفاری/راه حل 2 (sol2) را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن عنوان ، جابجایی افقی در سطح را تایپ کنید . |
6 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
7 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مربوطه، فاصله از محور تونل (m) را تایپ کنید . |
8 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، جابجایی افقی (mm) را تایپ کنید . |
نمودار خطی 1
1 | بر روی Horizontal Displacement: After Excavation کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 6 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
4 | در قسمت Expression text، u را تایپ کنید . |
5 | از لیست واحد ، mm را انتخاب کنید . |
6 | در نوار ابزار Horizontal Displacement: After Excavation ، روی  Plot کلیک کنید . |
جابجایی عمودی: پس از حفاری
1 | در پنجره Model Builder ، بر روی Horizontal Displacement: After Excavation کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، Vertical Displacement: After Excavation را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت عنوان را پیدا کنید . در قسمت متن عنوان ، Surface setup را تایپ کنید . |
4 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . در قسمت نوشتاری برچسب محور y ، جابجایی عمودی (mm) را تایپ کنید . |
نمودار خطی 1
1 | در پنجره Model Builder ، Vertical Displacement: After Excavation node را گسترش دهید، سپس روی Line Graph 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Expression text، v را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار Vertical Displacement: After Excavation ، روی  Plot کلیک کنید . |
