ABAQUS軟件對隧道開挖過程的模擬11

第頁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，支擋構(gòu)造的施工等，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)構(gòu)造的內(nèi)力和變形，周圍土體的位移等進(jìn)展分析。ABAQUS由于其本身強健的非線性求解功能，在工業(yè)界被公認(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開展并逐漸被廣闊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)展模擬及分析。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(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)化建造本錢，并且最大程度的保證平安性。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。而在有限元計算中襯砌等支護(hù)構(gòu)造施工的模擬尤為重要，特別是襯砌單元激活的時機，假設(shè)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(yīng)力已有所釋放；而假設(shè)在單元移除之后進(jìn)展那么應(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)點施加約束，得到與初始應(yīng)力平衡的節(jié)點力。然后放松約束，將節(jié)點力加到相應(yīng)節(jié)點處，并讓節(jié)點力的大小隨時間遞減，當(dāng)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：為比照起見，首先進(jìn)展沒有襯砌的隧道開挖問題求解。1、沒有襯砌時的隧道開挖：Step1：建立部件。在Part模塊中，CreatePart，將Name設(shè)為soil，ModelingSpace設(shè)為2DPlanar，Type設(shè)為Deformable,BaseFeature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2partStep2：設(shè)置材料及截面特性。在Property模塊中創(chuàng)立E=200MPa，μ=0.2線彈性的材料，并創(chuàng)立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Step3：裝配部件。在Assembly模塊中執(zhí)行CreateInstance，建立相應(yīng)的Instance。Step4：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。圖4定義分析步Step5：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。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。Step6：劃分網(wǎng)格。在mesh模塊進(jìn)展操作。為了便于網(wǎng)格劃分，執(zhí)行Tools/Partition命令，將區(qū)域分成幾個適宜的區(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Meshcontrols對話框中選擇ElementShape為Quad，選擇Technique為Structured。執(zhí)行Mesh/ElementType命令，在ElementType對話框中，選擇四節(jié)點平面應(yīng)變單元作為單元類型。通過Seed下的菜單設(shè)置適宜的網(wǎng)格密度，然后進(jìn)展網(wǎng)格劃分。操作過程如圖7-9所示。Step7：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*INITIALCONDITIONS,TYPE=STRESS,GEOSTATIC功能和*MODELCHANGE功能，所以要通過添加關(guān)鍵字來實現(xiàn)。主菜單Model->editkeywords,進(jìn)入editkeywords對話框，然后添加*INITIALCONDITIONS和*MODELCHANGE，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Step8：提交任務(wù)。進(jìn)入Job模塊，建立任務(wù)，然后提交進(jìn)展計算。2、有襯砌的隧道開挖問題：采用模量衰減的方法來模擬應(yīng)力的局部釋放現(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FieldVariable相關(guān)的彈性模量參數(shù)。四、結(jié)果分析與比照：1、沒有襯砌時的隧道開挖問題的結(jié)果處理：圖12沒有襯砌的土層外表水平位移和豎向位移進(jìn)入Visualization后處理模塊，翻開相應(yīng)的計算結(jié)果數(shù)據(jù)庫文件。將土體外表的水平位移U1和豎向位移U2繪制于圖12中。由圖可見，土層外表靠近中心線處的沉降最大，隨著距離的增加而逐漸減??；水平位移那么指向中心線，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、有襯砌的隧道開挖問題的結(jié)果處理：進(jìn)入Visualization后處理模塊，翻開相應(yīng)的計算結(jié)果數(shù)據(jù)庫文件?！?〕地表沉降變形。圖14比擬了有無襯砌兩種情況下地基外表的沉降變形。有圖可見，有襯砌之后地表最大沉降僅為原先的20%左右，襯砌支撐作用十清楚顯。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(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比照。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比照圖16襯砌內(nèi)外兩側(cè)的軸線方向應(yīng)力我們比擬關(guān)心襯砌內(nèi)的應(yīng)力結(jié)果，將襯砌軸向方向應(yīng)力