整理ABAQUS软件对隧道开挖过程的模拟.docx
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整理ABAQUS软件对隧道开挖过程的模拟
ABAQUS软件对隧道开挖过程的模拟
一、ABAQUS在岩土工程中应用简介:
岩土工程中的开挖问题主要是指隧道、基抗的开挖。
这些问题的施工过程常常较为复杂,如分步骤开挖,支挡结构的施工等,常规的分析方法处理起来十分困难,往往需要通过有限元对支护结构的内力和变形,周围土体的位移等进行分析。
ABAQUS由于其本身强健的非线性求解功能,在工业界被公认为技术最先进的非线性有限元分析软件,与传统商业软件不同,ABAQUS是专门为解决工
程中困难问题而发展并逐渐被广大用户推崇的超级通用有限元软件。
因此,本文将采用ABAQUS软件对隧道开挖过程进行模拟及分析。
二、隧道开挖过程问题简介:
1、模型简介:
某个地下隧道,由一个混凝土的衬砌支持。
建造这样一个隧道,涉及到一个非常复杂的土木工程过程。
工程界希望能通过数值模拟预测和验证设计建造过程中的各种问题,以加快建造过程和优化建造成本,并且最大程度的保证安全性。
2、几何特性:
隧道直径8米,在地下20米,隧道周围黏土的本构简化为线弹性(E=200MPa,
V=0.2,
3、分析思路:
隧道的开挖和其他开挖问题类似,其实质主要是应力的释放。
如果没有衬砌的施工,那问题很简单,只要在建立初始应力之后,移除开挖单元即可。
但实际工程中,隧道的开挖施工步骤是十分复杂的,涉及到灌浆、卡极为、衬砌施工等。
而在有限元计算中衬砌等支护结构施工的模拟尤为重要,特别是衬砌单元激活的
时机,若在开挖区域单元移除之前激活不符合真实工程中的施工顺序,衬砌施工时土体应力已有所释放;而若在单元移除之后进行则应力早已完全释放,衬砌起不到支撑的作用。
为了解决这一问题,研究人员们提出了以下两种方法:
1、在衬砌施工前,将开挖区单元的模量降低,移除来模拟应力释放效应。
2、首先将开挖面上的节点施加约束,得到与初始应力平衡的节点力。
然后放松
约束,将节点力加到相应节点处,并让节点力的大小随时间递减,当减小某一程度时(如30%〜40%)激活衬砌单元,再衰减余下的载荷。
三、问题的求解:
为对比起见,首先进行没有衬砌的隧道开挖问题求解。
1、没有衬砌时的隧道开挖:
Property模块中创建E=200MPa,卩=0.2线弹
Step1:
建立部件。
在Part模块中,CreatePar,将Name设为soil,ModelingSpace设为2DPlanar,Type设为Deformable,BaseFeature设为Shell。
在图形编辑界面,
Step2:
设置材料及截面特性。
在
3所示。
性的材料,并创建截面属性和给部件赋予截面特性,操作过程如图
Tw«:
ivLl
.nhiE
HIuLlc
Typi:
Iw^LUffLU¥
□ua*twf*i.ar+-曲p*iwNntitU
(■b 0 (Fwtlic^iIuUeily)|L«nc-lin- □九hvuLn. Di.li. 图3设置截面特性 Step3: 装配部件。 在Assembly模块中执行CreateInstanee建立相应的 Instanca Step4: 定义分析步。 在Step模块中,建立名字为geo,分析步类型为 geostatic, 和一个名为Remove的静力分析步,其时间为1.0,初始时间增量步为 0.1,允许 的最大增量步为0.2。 操作结果如图4所示。 ■Steplanagez FrDC■和13~D* MInitial/a GddSt-btic OFT StGAitbtr-al QFP [匚rBPts■■]IEJil.I[EapldCB■■]IRwisfl.|[JaL卫3..]|Hlgaan.|[Ik■miss] 图4定义分析步 Step5: 定义载荷、边界条件。 在Load模块,执行BC/Create命令,限定模型两 侧的水平位移和模型底部两个方向的位移,如图 5所示。 ■Edil JtoimdaryCondition Hi-nc: BC-I 5#: Baspldc皿皿加tetiw Stip: Iniliil R*gion: Cf: cfcbil)jEdit班寸负..4 ■Edil SoiuidairCundition bx百: BC-2 T/w: DisplaccnEnt/ft^tatiAn Si*P: hltl41 Rjtfiicji: (PiukEd)lEdilKegtoit.J ClfS: tGiotial)I曲it..」辰.. 0VI C51fS: 回UL 0W2 □«R3 ■<]i*: Thd-d.]spla.canbitlvblviaivilLb*inxuHw世viAcvtsteps. DK [Can匚] 图5定义边界条件 Pare bii-l 血如forCt Sl«p gjao(SeaEtitIe) F.褪15: Cfickei)[EdiiRggicr....] Dis-ntuticii: Ifr.iforn CoTpciuent10 CoTpciuent2.-30 Cr.star.TsjijeoLs)V|匕”昶谯.…] OK [CtficdI 图6定义载荷 执行Load/Create命令,在Geo分析步中对土体所有区域施加体力-20,以此来模 拟重力载荷。 操作结果如图6所示。 Step6: 划分网格。 在mesh模块进行操作。 为了便于网格划分,执行Tools/Partition 命令,将区域分成几个合适的区域。 ■Irjh匚fflntrola- SbiJ* OquWi*施OTti Litltd.iT-aLitafla.| 执行Mesh/Controls命令,在Meshcontrols对话框中选择ElementShape为Quad, 选择Technique为Structured执行Mesh/ElementType命令,在ElementType对 话框中,选择四节点平面应变单元作为单元类型。 通过Seed下的菜单设置合适 的网格密度,然后进行网格划分。 操作过程如图7-9所示。 Step7: 修改模型输入文件,设置初始应力,控制单元生死。 修改模型输入文件 由于ABAQUS不支持TNITIALCONDITIONS,TYPE=STRESS,GEOSTATIC功能和*MODELCHANGE功能,所以要通过添加关键字来实现。 主菜单Model->editkeywords,进入editkeywords对话框,然后添加*INITIAL CONDITIONS和*MODELCHANGE,具体操作如图10,11所示。 *1111tih1匚enditilype==1j-e-==^占暑口it-ati匚 scil-lall,D,aO,-lSOQ,-40,□.E ++: +*STEF,gc-o Step8: 提交任务。 进入Job模块,建立任务,然后提交进行计算。 2、有衬砌的隧道开挖问题: 采用模量衰减的方法来模拟应力的部分释放现象。 除初始分析步外,还需要 定义这样的几个分析步: Reduce分析步,在此步开挖区模量衰减40%。 Add分析步,此步中激活衬砌单元。 Remove分析步,此步中移除隧道开挖单元。 另外,还需要定义衬砌单元和定义与场变量FieldVariable相关的弹性模量参数。 四、结果分析与对比: 1、没有衬砌时的隧道开挖问题的结果处理: hiih-kI ■HL Irjtdi£fn: e: l: rqpflTi L.LITph冲"krqPiri-: ■IU"Ini■■I.iibIII'.rill-■' 图12没有衬砌的土层表面水平位移和竖向位移 进入Visualization后处理模块,打开相应的计算结果数据库文件。 将土体表面的水平位移U1和竖向位移U2绘制于图12中。 由图可见,土层表面靠近中心线处的沉降最大,随着距离的增加而逐渐减小; 水平位移则指向中心线,大体反映了变形指向开挖面。 图13给出了隧道周围局部区域的位移矢量图,隧道底部回弹,顶部下沉,同样反映了这一规律。 U.ResultJit QUttK13-L.odbt? -5Pn&tc30L&i3LL&EMITe;OD2DL】 rikmiu4 IncriTicrvr7: Ekp~nmc=卽TibolV"ij 图13隧道局部位移矢量图 2、有衬砌的隧道开挖问题的结果处理: 进入Visualization后处理模块,打开相应的计算结果数据库文件。 (1)地表沉降变形。 图14比较了有无衬砌两种情况下地基表面的沉降变形。 有图可见,有衬砌之后地表最大沉降仅为原先的20%左右,衬砌支撑作用十分明显。 同时注意到隧道顶部两侧的土体出现了隆起变形,这可解释为由于衬砌刚度较大,将隧道底部回弹力向上传递所导致。 图14衬砌对地表变形的影响 (2)衬砌变形和应力 图15给出了衬砌的变形前后的形状对比。 由图可见,衬砌有向隧道中心移 动的变形趋势,尤其是底板隆起变形要更明显一些。 S: 2mJ巧兔] -22S0C+03-IT^Zt+O? J--^2aSFt口強+-36£7iit0a+TJ2^4+05 +-d? ? ]C+03 +-S^TSu+Oa+-e4^104+03t--6^C: t+D3 ■--? a36»+Da QDEchJS-L-mer-idb=>1Ptr3C<5Hr+C3DCZQ]L 5tSp: ]ncNm4nc7WupF=J.C3Cg: l-Si? DahnTiQd7-jrUDdSmjdoriE-c-jItl-Jcr^ri 图15衬砌的变形前后的形状对比 16中。 图 图16衬砌内外两侧的轴线方向应力 我们比较关心衬砌内的应力结果,将衬砌轴向方向应力绘制于图 16中横坐标代表距离衬砌上顶点的弧线长度。 计算结果表明,衬砌内主要承受压应力,在衬砌最右侧的外侧边缘处压力最大,为-7.83MPa;内边界对应的压力值为-5.76MPa,压应力的差异体现了衬砌的弯曲变形,即外侧有弯曲受拉、内侧受压的趋势,这和图15中的变形模式是一致的。
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