Abaqus軟件對隧道開挖過程的模擬

2017-01-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、ABAQUS在巖土工程中應用簡介:

巖土工程中的開挖問題主要是指隧道、基抗的開挖。這些問題的施工過程常常較為復雜,如分步驟開挖,支擋結(jié)構(gòu)的施工等,常規(guī)的分析方法處理起來十分困難,往往需要通過有限元對支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形,周圍土體的位移等進行分析。

ABAQUS由于其本身強健的非線性求解功能,在工業(yè)界被公認為技術(shù)最先進的非線性有限元分析軟件,與傳統(tǒng)商業(yè)軟件不同,ABAQUS是專門為解決工程中困難問題而發(fā)展并逐漸被廣大用戶推崇的超級通用有限元軟件。

因此,本文將采用ABAQUS軟件對隧道開挖過程進行模擬及分析。

二、隧道開挖過程問題簡介:

1、模型簡介:

某個地下隧道,由一個混凝土的襯砌支持。建造這樣一個隧道,涉及到一個非常復雜的土木工程過程。工程界希望能通過數(shù)值模擬預測和驗證設(shè)計建造過程中的各種問題,以加快建造過程和優(yōu)化建造成本,并且最大程度的保證安全性。

2、幾何特性:

隧道直徑8米,在地下20米,隧道周圍黏土的本構(gòu)簡化為線彈性(E=200MPa,v=0.2,γ=20kN/㎡),混凝土襯砌(E=19GPa,v=0.2),厚度為0.15米。

3、分析思路:

隧道的開挖和其他開挖問題類似,其實質(zhì)主要是應力的釋放。如果沒有襯砌的施工,那問題很簡單,只要在建立初始應力之后,移除開挖單元即可。但實際工程中,隧道的開挖施工步驟是十分復雜的,涉及到灌漿、卡極為、襯砌施工等。而在有限元計算中襯砌等支護結(jié)構(gòu)施工的模擬尤為重要,特別是襯砌單元激活的時機,若在開挖區(qū)域單元移除之前激活不符合真實工程中的施工順序,襯砌施工時土體應力已有所釋放;而若在單元移除之后進行則應力早已完全釋放,襯砌起不到支撐的作用。

為了解決這一問題,研究人員們提出了以下兩種方法:

1、在襯砌施工前,將開挖區(qū)單元的模量降低,移除來模擬應力釋放效應。

2、首先將開挖面上的節(jié)點施加約束,得到與初始應力平衡的節(jié)點力。然后放松約束,將節(jié)點力加到相應節(jié)點處,并讓節(jié)點力的大小隨時間遞減,當減小某一程度時(如30%~40%)激活襯砌單元,再衰減余下的載荷。

三、問題的求解:

為對比起見,首先進行沒有襯砌的隧道開挖問題求解。

1、沒有襯砌時的隧道開挖:

Step 1:建立部件。在Part模塊中,Create Part,將Name設(shè)為soil,Modeling Space設(shè)為2D Planar,Type設(shè)為Deformable, Base Feature 設(shè)為Shell。在圖形編輯界面,繪制如圖1所示的幾何輪廓。如圖2所示。

Step 2:設(shè)置材料及截面特性。在Property模塊中創(chuàng)建E=200MPa,μ=0.2線彈性的材料,并創(chuàng)建截面屬性和給部件賦予截面特性,操作過程如圖3所示。

Step 3:裝配部件。在Assembly模塊中執(zhí)行Create Instance,建立相應的Instance。

Step 4:定義分析步。在Step模塊中,建立名字為geo, 分析步類型為geostatic,和一個名為Remove的靜力分析步,其時間為1.0,初始時間增量步為0.1,允許的最大增量步為0.2。操作結(jié)果如圖4所示。

Step 5:定義載荷、邊界條件。在Load模塊,執(zhí)行BC/Create命令,限定模型兩側(cè)的水平位移和模型底部兩個方向的位移,如圖5所示。

執(zhí)行Load/Create命令,在Geo分析步中對土體所有區(qū)域施加體力-20,以此來模擬重力載荷。操作結(jié)果如圖6所示。

Step 6:劃分網(wǎng)格。在mesh模塊進行操作。為了便于網(wǎng)格劃分,執(zhí)行Tools/Partition命令,將區(qū)域分成幾個合適的區(qū)域。

執(zhí)行Mesh/Controls命令,在Mesh controls對話框中選擇Element Shape為Quad,選擇Technique為Structured。執(zhí)行Mesh/Element Type命令,在Element Type對話框中,選擇四節(jié)點平面應變單元作為單元類型。通過Seed下的菜單設(shè)置合適的網(wǎng)格密度,然后進行網(wǎng)格劃分。操作過程如圖7-9所示。

Step 7:修改模型輸入文件,設(shè)置初始應力,控制單元生死。修改模型輸入文件:由于ABAQUS不支持*INITIAL CONDITIONS, TYPE=STRESS, GEOSTATIC功能和*MODEL CHANGE功能,所以要通過添加關(guān)鍵字來實現(xiàn)。

主菜單Model->edit keywords,進入edit keywords對話框,然后添加*INITIAL CONDITIONS和*MODEL CHANGE,具體操作如圖10,11所示。

Step 8:提交任務。進入Job模塊,建立任務,然后提交進行計算。

2、有襯砌的隧道開挖問題:

采用模量衰減的方法來模擬應力的部分釋放現(xiàn)象。除初始分析步外,還需要定義這樣的幾個分析步:

Reduce 分析步,在此步開挖區(qū)模量衰減40%。

Add 分析步,此步中激活襯砌單元。

Remove 分析步,此步中移除隧道開挖單元。

另外,還需要定義襯砌單元和定義與場變量Field Variable相關(guān)的彈性模量參數(shù)。

四、結(jié)果分析與對比:

1、沒有襯砌時的隧道開挖問題的結(jié)果處理:

進入Visualization后處理模塊,打開相應的計算結(jié)果數(shù)據(jù)庫文件。

將土體表面的水平位移U1和豎向位移U2繪制于圖12中。

由圖可見,土層表面靠近中心線處的沉降最大,隨著距離的增加而逐漸減小;水平位移則指向中心線,大體反映了變形指向開挖面。

圖13給出了隧道周圍局部區(qū)域的位移矢量圖,隧道底部回彈,頂部下沉,同樣反映了這一規(guī)律。

2、有襯砌的隧道開挖問題的結(jié)果處理:

進入Visualization后處理模塊,打開相應的計算結(jié)果數(shù)據(jù)庫文件。

(1)地表沉降變形。

圖14比較了有無襯砌兩種情況下地基表面的沉降變形。有圖可見,有襯砌之后地表最大沉降僅為原先的20%左右,襯砌支撐作用十分明顯。同時注意到隧道頂部兩側(cè)的土體出現(xiàn)了隆起變形,這可解釋為由于襯砌剛度較大,將隧道底部回彈力向上傳遞所導致。

(2)襯砌變形和應力

圖15給出了襯砌的變形前后的形狀對比。由圖可見,襯砌有向隧道中心移動的變形趨勢,尤其是底板隆起變形要更明顯一些。

我們比較關(guān)心襯砌內(nèi)的應力結(jié)果,將襯砌軸向方向應力繪制于圖16中。圖16中橫坐標代表距離襯砌上頂點的弧線長度。計算結(jié)果表明,襯砌內(nèi)主要承受壓應力,在襯砌最右側(cè)的外側(cè)邊緣處壓力最大,為-7.83MPa;內(nèi)邊界對應的壓力值為-5.76MPa,壓應力的差異體現(xiàn)了襯砌的彎曲變形,即外側(cè)有彎曲受拉、內(nèi)側(cè)受壓的趨勢,這和圖15中的變形模式是一致的。(轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡)

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