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abaqus软件对隧道开挖过程的模拟.doc

发布时间：2022-06-17 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.28M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    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。 二、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， 0.2 ，  20kN/m 2 ），混凝土衬砌（E=19GPa， 0.2 ），厚度为 0.15 米。 图 1 模型示意图
    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。 Step 2：设置材料及截面特性。在 Property 模块中创建 E=200MPa，μ=0.2 线弹 图 2 part
    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 3 所示。 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 侧的水平位移和模型底部两个方向的位移，如图 5 所示。 图 5 定义边界条件
    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 图 8 确定单元类型 图 9 网格划分 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
    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*INITIAL CONDITIONS 和*MODEL CHANGE，具体操作如图 10，11 所示。 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： 图 12 没有衬砌的土层表面水平位移和竖向位移
    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。 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。
    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。 图 15 衬砌的变形前后的形状对比
    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。
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