ABAQUS軟件對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程的模擬

1、圖1模型示意圖ABAQUS 軟件對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程的模擬一、ABAQUS在巖土工程中應(yīng)用簡(jiǎn)介：巖土工程中的開(kāi)挖問(wèn)題主要是指隧道、 基抗的開(kāi)挖。這些問(wèn)題的施工過(guò)程常 常較為復(fù)雜，如分步驟開(kāi)挖，支擋結(jié)構(gòu)的施工等，常規(guī)的分析方法處理起來(lái)十分 困難，往往需要通過(guò)有限元對(duì)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(wèn)題而發(fā)展并逐漸被廣大用戶推崇的超級(jí)通用有限元軟件。 因此，本文將采用ABAQUS軟件對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬及分析。二、 隧道開(kāi)挖過(guò)程問(wèn)題簡(jiǎn)

2、介：1、模型簡(jiǎn)介：某個(gè)地下隧道，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(guò)程。工程界希望能通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)和驗(yàn)證設(shè)計(jì)建造過(guò)程 中的各種問(wèn)題，以加快建造過(guò)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(jiǎn)化為線彈性(E=200MPa,V=O.2,Y=20kN /m2)，混凝土襯砌(E=19GPQ V=0.2)，厚度為0.15米。607rd-o93、分析思路:隧道的開(kāi)挖和其他開(kāi)挖問(wèn)題類似，其實(shí)質(zhì)主要是應(yīng)力的釋放。如果沒(méi)有襯砌 的施工，那問(wèn)題很簡(jiǎn)單，只要在建立初始應(yīng)力之后，移除開(kāi)挖單元即可。但實(shí)際 工程中，隧道的

3、開(kāi)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(kāi)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(wèn)題，研究人員們提出了以下兩種方法：1、在襯砌施工前，將開(kāi)挖區(qū)單元的模量降低，移除來(lái)模擬應(yīng)力釋放效應(yīng)。2、首先將開(kāi)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

4、載荷。三、問(wèn)題的求解：為對(duì)比起見(jiàn)，首先進(jìn)行沒(méi)有襯砌的隧道開(kāi)挖問(wèn)題求解1、沒(méi)有襯砌時(shí)的隧道開(kāi)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，2所示。Step 2：設(shè)置材料及截面特性。在繪制如圖1所示的幾何輪廓。如圖圖2 partProperty模塊中創(chuàng)建E=200MPa,卩=0.2線彈圖5定義邊界條件性的材料，并創(chuàng)建截面屬性和給部件賦予截面特性，操作過(guò)程如圖3所示Step 3:裝配部件。在Assembly模塊

5、中執(zhí)行Create Instanee建立相應(yīng)的InstancaStep 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(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。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?jī)蓚€(gè)方向的位移，如圖5所示EL*Rti cT：rp aitrcfiLc*Hididl i 1IM TEAI*(ir -rn cc-fiiltJELLCi.tT-)LArtrlarv|cnpxvaiiijMi|

6、% Linimn.圖3設(shè)置截面特性圖4定義分析步 Edit Load岡T卵；IMy forcaStep；犖o Geo5t.a.tic)臉車盹：( (hdffi迫孑応 腕巨皿Dislributiffli； |lhifiDfrihV Create.Couhpooueoit 10Crapanent 21 -20Aiplli tudjE IJ&Etariasm.eiDfuiE) ) V | Create.圖6定義載荷執(zhí)行Load/Create命令，在Geo分析步中對(duì)土體所有區(qū)域施加體力-20,以此來(lái)模 擬重力載荷。操作結(jié)果如圖6所示。 Edit Load岡Step 6:劃分網(wǎng)格。在mesh模塊進(jìn)行操作

7、。為了便于網(wǎng)格劃分，執(zhí)行Tools/Partition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H W T-J ilM iTTME*G.i riri fl. J.r4H3mLirww O4mirRi.itCMpdru-a-lLiFLafaiaBl:Tr |Hinil CralipliFl hrin訶f-nlwl3c r|4 Til riil Enh-vlSb ffvtiaScLflfiriir*vi,iamFnfancd圖12沒(méi)有襯砌的土層表面水平位移和豎向位移話框中，選擇四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元作為單元類型。通過(guò)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(guò)程如圖7-9所示St

8、ep 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=STRESS, GEOSTA TIC功能和*MODEL CHANGE功能，所以要通過(guò)添加關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現(xiàn)。主菜單Model-edit keywords,進(jìn)入edit keywords對(duì)話框，然后添加*INITIALCONDITIONS和*MODEL CHANGE，具體操作如圖10，11所示i til itiQDEtype-strSB S,.taiiiCan i 1-1 8111.0,20120040,0.5Step 8：提交任務(wù)。進(jìn)入Job模塊，建立任務(wù)，

9、然后提交進(jìn)行計(jì)算。2、有襯砌的隧道開(kāi)挖問(wèn)題：采用模量衰減的方法來(lái)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(kāi)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(kāi)挖單元。另外，還需要定義襯砌單元和定義與場(chǎng)變量Field Variable相關(guān)的彈性模量參數(shù)。四、結(jié)果分析與對(duì)比:1、沒(méi)有襯砌時(shí)的隧道開(kāi)挖問(wèn)題的結(jié)果處理:II.Ill.-II討IL-1IL_ Inj? dis:=n;e =1:ng p=ITi- - L. L I TruiJC.ikr-; P 皿丁- I I, I Inu I. abti I1mod

10、elchd區(qū)名#removeremove圖10定義初始應(yīng)力語(yǔ)句圖11移除單元語(yǔ)句J JlLFeoellLFeoel蚤口進(jìn)入Visualization后處理模塊，打開(kāi)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)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(jiàn)，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(kāi)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。| LI. Rtsuk&itLLLIJlitrkIt:.rfnFT-HUB1ODB tHl-L.odb AbjqusJtandrdFnOe: 30 L4

11、i3L L&20L JEp：rAIYiu4ncrtnient 7i Seep Time .00C圖13隧道局部位移矢量圖2、有襯砌的隧道開(kāi)挖問(wèn)題的結(jié)果處理：進(jìn)入Visualization后處理模塊，打開(kāi)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)文件。（1）地表沉降變形。圖14比較了有無(wú)襯砌兩種情況下地基表面的沉降變形。有圖可見(jiàn)，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?jī)蓚?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。11(U2:Dis k ilonf hlihar1U, U2i TNQDlfL lont IlhAi1*圖14襯砌對(duì)

12、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(duì)比。由圖可見(jiàn)，襯砌有向隧道中心移動(dòng)的變形趨勢(shì)，尤其是底板隆起變形要更明顯一些(Ajg: 75bI- -S47*+03- 4J29C+O3BH 5?Jt+O3-5O3-3t+C3-S-SLSt+Oa-M?ectQ3-44QtDa-302+03 -73E4atD37$26*03ODB 4K1$-L-In4f.rib Absqu 時(shí)敦時(shí)山 id t.B-3 A-l Dec 30 1:40s54 SMT+OSi&O 2C j L*&L4p: rwinauMJncrtmerrt 7; SwpTImt1.000Prinuir/ Vdir 各 2(Dohnwi Y 并 U Dd：rmadon Ec-alt FiccnM +3.?6lfi：+O2圖15襯砌的變形前后的形狀對(duì)比気 B22 (ABI：79bl：TruwDcdl!.止 nq *nsIJM1務(wù)&2 曲刊：75fej:Tr