ABAQUS軟件對隧道開挖過程的模擬[建筑助手]

1、ABAQUS軟件對隧道開挖過程的模擬一、ABAQUS在巖土工程中應(yīng)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(fù)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(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，周圍土體的位移等進(jìn)行分析。ABAQUS由于其本身強(qiáng)健的非線性求解功能，在工業(yè)界被公認(rèn)為技術(shù)最先進(jìn)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(jìn)行模擬及分析。二、隧道開挖過程問題簡介：1、模型簡介：某個(gè)地下隧道，

2、由一個(gè)混凝土的襯砌支持。建造這樣一個(gè)隧道，涉及到一個(gè)非常復(fù)雜的土木工程過程。工程界希望能通過數(shù)值模擬預(yù)測和驗(yàn)證設(shè)計(jì)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，），混凝土襯砌（E=19GPa，），厚度為0.15米。圖1 模型示意圖3、分析思路：隧道的開挖和其他開挖問題類似，其實(shí)質(zhì)主要是應(yīng)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(yīng)力之后，移除開挖單元即可。但實(shí)際工程中，隧道的開挖施工步驟是十分復(fù)雜的，涉及到灌漿、卡極為、襯砌施工等。而在有限元計(jì)算中襯砌等支

3、護(hù)結(jié)構(gòu)施工的模擬尤為重要，特別是襯砌單元激活的時(shí)機(jī)，若在開挖區(qū)域單元移除之前激活不符合真實(shí)工程中的施工順序，襯砌施工時(shí)土體應(yīng)力已有所釋放；而若在單元移除之后進(jìn)行則應(yīng)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(yīng)力釋放效應(yīng)。2、首先將開挖面上的節(jié)點(diǎn)施加約束，得到與初始應(yīng)力平衡的節(jié)點(diǎn)力。然后放松約束，將節(jié)點(diǎn)力加到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處，并讓節(jié)點(diǎn)力的大小隨時(shí)間遞減，當(dāng)減小某一程度時(shí)（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(jìn)行沒有襯砌的隧道開挖問題求解。1、沒有襯砌時(shí)的隧道開挖：

4、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。 圖2 partStep 2：設(shè)置材料及截面特性。在Property模塊中創(chuàng)建E=200MPa，=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。圖3 設(shè)置截面特性Step 3：裝配部件。在Assembly模塊中執(zhí)行Create Instance，建立相應(yīng)的Instance。Step 4：定義分析

5、步。在Step模塊中，建立名字為geo, 分析步類型為geostatic，和一個(gè)名為Remove的靜力分析步，其時(shí)間為1.0，初始時(shí)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。圖4 定義分析步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(gè)方向的位移，如圖5所示。 圖5 定義邊界條件 圖6 定義載荷執(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(jìn)行操作。為了便于網(wǎng)格劃分，執(zhí)行Tools/Partiti

6、on命令，將區(qū)域分成幾個(gè)合適的區(qū)域。圖7 確定單元形狀 圖8 確定單元類型 圖9 網(wǎng)格劃分執(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(diǎn)平面應(yīng)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(jìn)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(yīng)力，控制單元生死。修改模型輸入文件:由于ABAQUS不支持*INITIAL CONDITIONS, TYPE=

7、STRESS, GEOSTATIC功能和*MODEL CHANGE功能，所以要通過添加關(guān)鍵字來實(shí)現(xiàn)。主菜單Model-edit keywords,進(jìn)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。 圖10 定義初始應(yīng)力語句 圖11 移除單元語句Step 8：提交任務(wù)。進(jìn)入Job模塊，建立任務(wù)，然后提交進(jìn)行計(jì)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(yīng)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(gè)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

8、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(shí)的隧道開挖問題的結(jié)果處理：圖12 沒有襯砌的土層表面水平位移和豎向位移進(jìn)入Visualization后處理模塊，打開相應(yīng)的計(jì)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?。凰轿灰苿t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。圖13隧道局部位移矢量圖2、有襯

9、砌的隧道開挖問題的結(jié)果處理：進(jìn)入Visualization后處理模塊，打開相應(yīng)的計(jì)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(shí)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(dǎo)致。圖14 襯砌對地表變形的影響(2)襯砌變形和應(yīng)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。圖15 襯砌的變形前后的形狀對比圖16 襯砌內(nèi)外兩側(cè)的軸線方向應(yīng)力我們比較關(guān)心襯砌內(nèi)的應(yīng)力結(jié)果，將襯砌軸向方向應(yīng)力繪制于圖16中