Abaqus軟件對隧道開挖過程的模擬

2017-01-20 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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,支擋結構的施工等,常規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構的內力和變形,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,在工業界被公認為技術最先進的非線性有限元分析軟件,與傳統商業軟件不同,ABAQUS是專門為解決工程中困難問題而發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值模擬預測和驗證設計建造過程中的各種問題,以加快建造過程和優化建造成本,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構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點施加約束,得到與初始應力平衡的節點力。然后放松約束,將節點力加到相應節點處,并讓節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設為soil,Modeling Space設為2D Planar,Type設為Deformable, Base Feature 設為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:設置材料及截面特性。在Property模塊中創建E=200MPa,μ=0.2線彈性的材料,并創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。操作結果如圖4所示。

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

執行Load/Create命令,在Geo分析步中對土體所有區域施加體力-20,以此來模擬重力載荷。操作結果如圖6所示。

Step 6:劃分網格。在mesh模塊進行操作。為了便于網格劃分,執行Tools/Partition命令,將區域分成幾個合適的區域。

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

Step 7:修改模型輸入文件,設置初始應力,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,所以要通過添加關鍵字來實現。

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相關的彈性模量參數。

四、結果分析與對比:

1、沒有襯砌時的隧道開挖問題的結果處理:

進入Visualization后處理模塊,打開相應的計算結果數據庫文件。

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,同樣反映了這一規律。

2、有襯砌的隧道開挖問題的結果處理:

進入Visualization后處理模塊,打開相應的計算結果數據庫文件。

(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的土體出現了隆起變形,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。

我們比較關心襯砌內的應力結果,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。計算結果表明,襯砌內主要承受壓應力,在襯砌最右側的外側邊緣處壓力最大,為-7.83MPa;內邊界對應的壓力值為-5.76MPa,壓應力的差異體現了襯砌的彎曲變形,即外側有彎曲受拉、內側受壓的趨勢,這和圖15中的變形模式是一致的。(轉載自網絡)

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