ABAQUS软件对隧道开挖过程地模拟.docx

标准文档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。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,n =0.2,¥=20kN/m2),混凝土衬砌(E=19GPa, v =0.2),厚度为 0.15米图1模型示意图实用文案标准文档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:Step 1:建立部件。在 Part模块中，Create Part 将 Name设为 soil, Modeling Space设为 2D Planar, Type设为 Deformable, Base Feature设为 Shell。在图形编辑界面,绘制如图1所示的几何轮廓。如图2所示。Property模块中创建 E=200MPa,仙=0.2线弹图 2 partStep 2：设置材料及截面特性。在实用文案Qus*L*,0b4r r£ £i«ld vu- i wlii-ai：标准文档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Hc-1u1l。 3：c-h1w (Fw YL3!r?glul3Ealy：1 Lnnc- Lirar Im* 44*pr4isi4*.| He-4修犷皿 Da.li.FvissvBid 3All*图3设置截面特性Step 3:装配部件。在Assembly模块中执行 Create Instance建立相应的Instance Step 4：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。图4定义分析步Step 5:定义载荷、边界条件。在Load模块，执行BC/Create命令，限定模型两如图 5所示侧的水平位移和模型底部两个方向的位移,图5定义边界条件实用文案标准文档图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。Step 6: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。图7确定单元形状lutfUTJ皿QXLiEll5*LAL©Lew。5，匕川工叼工兔 X小麻口一1“.3,就如E Tri. |ELwekL CuU-kLeQJ ttrfrra-a 14rMiI-l Rr4irr< Eqrjii.门 lnm*pvhbl+ M*hxId1TllMUlkt-® Iha 心士Wt Sfr«i*|riabJ !Malirti口 cnirftl： r .! |q 1113口11 iUWbl'ELkh*. Jilali n,O O J"x自蜘qO £p«i tyCTE4 A Cix-ih-fau urtuil 4uJjriLiKrird.图8确定单元类型执行 Mesh/Controls 命令，在 Mesh controls 对话框中选择 Element Shape为 Quad, 选择 Technique为 Structured 执行 Mesh/Element Type命令，在 Element Type对实用文案标准文档话框中,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。Step 7: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 *INITIAL CONDITIONS, TYPE=STRESS, GEOSTATIC 功 能和*MODEL CHANGE功能，所以要通过添加关键字来实现。主菜单 Model->edit keywords,进入 edit keywords 对话框，然后添加 *INITIALCONDITIONS 和*MODEL CHANGE ,具体操作如图 10, 11 所示*ini ti al Ugndi 口UMtress.,林* STEF.群。soil-Lremoveremcnve图10定义初始应力语句图11移除单元语句Step 8：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 Field Variable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:111.-IIHILTIL Injr dis:：nce =1: r>q p：tri1.I Trh ikr-; Pvh ：' I L I " Inn I. jfa i i I'图12没有衬砌的土层表面水平位移和竖向位移实用文案标准文档进入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。Ui Rtsult&ltOncrtineiYt 7i Ecep Tlmt ,= l.DOC Vin U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。实用文案标准文档30.True diGdance along path11, U2: Truu Dis k ilont 'htitlihar1U, U2t Thi电 Dlft 4Mn 'lin«r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。5, 822 用75fej- -2250*03T -12口与酢口M- -3 6ET«itO3H- T 12?<ii+O3U- T 55JC+03TEmiEH- -5IS»tD3 -S.73fi*03 -6 404*03" -6-?Q2t+03-7 326+03QDE- tH13-L-lner,3db Ab»iU£/5tandrd 6.9-S -H Dec-30 Z LHOiSiI <5MT+O3iJO 2Q LSteps Ttmivegme 7： SupTlrri& = 1.000pnrn41Y Ud： 9t S22D4fomntd 7-ar： LI Dfifirmadon Sc-iis： F4crnri *3a96<1i；：+C2图15衬砌的变形前后的形状对比实用文案标准文档% B2275M： Tru DdL ,rig tuw”的 B21向7： 75fes TrufcDiJiC.讯nq ©uUidT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。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。实用文案