本文的指導老師為：郭進軍、布欣（指導ABAQUS有限元計算）

                               郭士旭（指導試驗及數據監測）

一、本文研究內容

1.     有限元數值計算分析

以地層結構法為理論基礎，結合ABAQUS有限元分析軟件，建立隧道襯砌結構模型。根據隧道試驗方案和模型受力角度分析，圍巖和襯砌之間會有一個滑移面。因此在計算模型設置的時候，需在圍巖和襯砌之間設置摩擦系數，以此來貼合實際試驗情況。根據試驗室的試驗條件，試驗時將荷載施加在圍巖上，通過圍巖對荷載的傳遞，以此讓隧道的受荷情況更加貼合實際情況。所以在對有限元數值模擬計算模型施加的荷載考慮時，該模型荷載主要分為三種，即自重荷載、豎向壓強荷載和橫向壓強荷載。三種荷載分三個加載步施加 ，其中豎向荷載分10級加載，橫向荷載分5級加載，每級增量步均為20kPa。根據此加載方式，分析出襯砌在自重、自重加豎向荷載和自重加豎向荷載加橫向荷載三種工況下內力和位移變化情況，且考慮材料的非線性，對模型進行非線性分析計算，對計算結果進行后處理分析，提取出特征點位置的荷載變化情況并分析。

2.     坑道模型載荷試驗

根據試驗方案，明確試驗方法，制作直墻圓拱式襯砌結構模型，確定隧道襯砌模型的加載方案和監測方案。通過有限元分析結果確定出隧道襯砌結構的薄弱點，該薄弱點即為位移和應變監測的關鍵部位。將隧道模型放置在土壓力箱中，為了讓測試結果更加明顯，豎向荷載和橫向荷載不能一次性加完，先施加豎向荷載，分10個加載步加載每級增量為20kPa，共加載200kPa，然后施加橫向荷載，分5個加載步加載每級增量為20kPa，共加載100kPa，至此加載結束。然后對傳感器監測的數據進行整理分析，得出隧道襯砌在實際加載試驗中其內力變化規律。

二、有限元數值模擬結果與分析

  

單元類型

為了精準的模擬出結構真實的受力狀況并保證模型能夠收斂，這不僅僅取決于網格的質量問題，更得選擇出比較合適的計算單元類型。本文所作的有限元數值分析，在ABAQUS中主要為兩種單元類型：可變形實體單元拉伸模型和可變形線桁架單元模型。考慮到襯砌單元和圍巖單元之間的摩擦作用，通過設置單元自接觸，來模擬這兩種部件之間的接觸關系，切向摩擦系數定義為0.3。鋼筋與襯砌之間的接觸采用內置區域進行模擬，以鋼筋作為內嵌模型嵌入襯砌之中。

 材料屬性及本構模型的定義

本文模擬試驗襯砌采用C30混凝土，定義的材料特性按照各向同性力學假設，并設置混凝土塑性損傷參數。鋼筋單元所采用的鋼筋型號為HRB400，其直徑為8mm，定義材料特性按照各向同性力學假設，定義鋼筋的塑性損傷。圍巖材料的屬性定義，根據土工試驗數據而定。

有限元模型的建立

本文的隧道襯砌模型與圍巖模型通過ABAQUS自身的命令建立實體單元，鋼筋籠模型采用三維建模軟件Rhino進行線模型的構建，然后將線模型導入ABAQUS，賦予線模型截面屬性，使用桁架單元模擬。

邊界的定義及荷載的添加

為了保證數值模擬的計算結果與實際試驗結果的一致性，在邊界的定義上需要結合試驗的實際情況而定。試驗時是將襯砌結構埋入土壓力箱當中，所以對于圍巖的底部是只限制了圍巖的位移并未限制轉動(詳見圖2-2)，圍巖的左右側面和前后側面分別只限制X向和Y向的位移。（詳見圖2-3和圖2-4）

模型的荷載按照三個狀態來添加，首先要考慮的是初始應力場的計算，此時只考慮自重荷載；第二個加載步是在圍巖的上部施加向下的壓強荷載，總共施加200kPa的壓強荷載，為了讓傳感器輸出結果更明顯對荷載進行分級施加，總共分10級，每一級的荷載增量為20kPa；第三個加載步是在圍巖的左右兩側面施加向內的壓強荷載，總共施加100kPa的壓強荷載，分5級加載，每一級的荷載增量為20kPa。

數值模擬計算結果分析

a .隧道襯砌結構混凝土塑性應變計算結果

b.隧道襯砌結構計算最大主應力計算結果

襯砌外側特征點應力隨荷載變化曲線

襯砌內側特征點應力隨荷載變化曲線

c.隧道襯砌結構計算接觸應力結果

隧道襯砌特征點外側接觸應力隨荷載變化曲線

d.隧道襯砌結構計算結果應變

數值模擬內側特征點應變隨荷載變化曲線

數值模擬外側特征點應變隨荷載變化曲線

e.隧道襯砌結構計算結果位移

豎向位移

總位移

襯砌特征點位移變化曲線

     該圖中底板內側位移和拱頂內側位移為相對于直墻左下角的豎向相對位移量，從圖中可以看出底板內側的位移量較大，而拱頂內側、左拱腳內側和右拱腳內側位移變化幅度較小。結合上述隧道襯砌塑性應變分析結果可知底板內側發生開裂，因此該處位移變化幅度較大是因為受到底板開裂的影響

f.隧道襯砌結構計算鋼筋應力變化結果

鋼筋特征點應力隨荷載變化曲線

    通過圖中鋼筋底板中間應力變化曲線可得，鋼筋在荷載加載完畢時承受的最大主應力為210MPa，而本次模擬試驗所用鋼筋型號為HRB400，其屈服強度設計值為330MPa，底部鋼筋未達到屈服狀態。拱頂內側雖承受拉應力，但就本次數值模擬結果顯示結構在底部開裂后直至荷載加載完畢，拱頂內側并未出現開裂現象。

三、隧道襯砌模型加載試驗與有限元數值模擬結果對比

a.有限元計算襯砌混凝土損傷與試驗模型對比

有限元數值模擬計算荷載加至87kPa時底板開裂，而實際試驗時豎向荷載加至90kPa隧道底板發生開裂。

b.有限元計算接觸應力與試驗土壓力監測結果對比

注：計算情況設備：GPU:RTX3060

計算時間為35個小時