1、ABAQUS軟件對隧道開挖過程的模擬一、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(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(yè)界被公認為技術最先進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發(fā)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。隧道開挖過程問題簡介:1、模型簡介：某個地下隧道，由一

2、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(shù)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(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簡化為線彈性（E=200MPa,v=0.2,¥=20kN/m2),混凝土襯砌(E=19GPa,v=0.2),厚度為0.15米60MJProperty模塊中創(chuàng)建E=200MPa,仙=0.2線彈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

3、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(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(qū)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(jié)點施加約束，得到與初始應力平衡的節(jié)點力。然后放松約束，將節(jié)點力加到相應節(jié)點處，并讓節(jié)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

4、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:Step1:建立部件。在Part模塊中，CreatePart將Name設為soil,ModelingSpace設為2DPlanar,Type設為Deformable,BaseFeature設為Shell。在圖形編輯界面，繪制如圖1所示的幾何輪廓。如圖Step2：設置材料及截面特性。在性的材料，并創(chuàng)建截面屬性和給部件賦予截面特性，操作過程如圖3所示。Ed.itlAiteEialT>:a4LlhicriillMj<Mrsi|fl-：hEr.iEb1工hcr.JQLIwBlijAitTyp:Ii

5、-alrspLCyQUl*WMjMJWUntML*,0b4rM£i«ldviridiL-ai：G*s如11。+zr&eCFwYLar?alulacaly：1Lnnc-Lira|"He-上看dimt4ll#圖3設置截面特性Step3:裝配部件。在Assembly模塊中執(zhí)行CreateInstance建立相應的InstanceStep4：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。StepIanauger

6、UAFroc*dura-13-Tia*/InitialClnitial)叫</中口Gd-dEt-b.fiC!OF?Irartov4StAliCj0FTI甑一EdiI.|-忌0.仇亡白.1R皿ona.JUhtai.Nlgdon.IhnriiES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，限定模型兩側的水平位移和模型底部兩個方向的位移,如圖5所示EditMimdaxyConditiunXEditDouiidaEjConditiuin口的心：BC-ITps：Hispla.cenent/ko1-s.tionStep；IniliUR*5ion：(Fic

7、kti)EditHe.bil.口的.：BC-2rrpe：DiSplacenent/R.0onStsp：工箱g：H匚keA.)Reg.CSTS：(Global)Edit.JEiiati.國UIW2UR口csrs；(Global).j.VI呢爾回回口Mflte：ThedispltLecneitl社/willbeoaint&in-iiinsubstcuettstapi.DK|.3口cte：Thedaspl4cenenlawiLLb*nainttinadine址e電qn電ntct4ps.囑Can1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

8、擬重力載荷。操作結果如圖6所示。Step6:劃分網格。在mesh模塊進行操作。為了便于網格劃分，執(zhí)行Tools/Partition命令，將區(qū)域分成幾個合適的區(qū)域。圖9網格劃分圖7確定單元形狀JT-SELnkllilTUTTMhllj皿CXLieII5*LAL通tdnwCOisbUir工叼工兔X小麻口一1“.3,就Tri.|ELaSiciilCuIj-kLe口他UnHf-erMdiMUMal-lRr4irv<E<*r皿/rIInzflf*vhbJ,|liRBidfltitqbii"T114"llkt'®Iha心士山打口*Ki*!"Jia

9、liri>cnirftlT“QIIdaAU-fel1ELkh*.JilaUn,電M/uLi：OT<«白熊t幽典rOSt«ityCTE4ACix-ih-fauurtuil4uJjriLiKrird.圖8確定單元類型執(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Step7

10、: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*INITIALCONDITIONS,TYPE=STRESS,GEOSTATIC功能和*MODELCHANGE功能，所以要通過添加關鍵字來實現(xiàn)。主菜單Model->editkeywords,進入editkeywords對話框，然后添加*INITIALCONDITIONS和*MODELCHANGE,具體操作如圖10,11所示*initialUgndi口口當tress.,411-1血林*STEF.群。soil-Lremoveremcnve圖10定義初始應力語句圖11移除單元語句Step8：提交任務。進入Jo

11、b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(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相關的彈性模量參數(shù)。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:111.-IIHILTILInjrdis:：nce=1:r>qp：tri1.ITrhikr-;Pvh：'ILI"InnI.jfaiiI'圖12沒有襯

12、砌的土層表面水平位移和豎向位移進入Visualization后處理模塊，打開相應的計算結果數(shù)據(jù)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(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。UiRtsult&ltOncrtineiYt7iEcepTlmt,=l.DOCVinU圖13隧道局部位移矢量圖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(shù)據(jù)庫文件。(1)地表沉降變形

13、。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(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致。30.TruediGdancealongpath11,U2:TruuDiskilont'htitlihar1U,U2tThi電Dlft4Mn'lin«r圖14襯砌對地表變形的影響(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5,822用75fej-2250*

14、03T-12口與酢口M-36ET«itO3H-T12?<ii+O3U-T55JC+03TEmiEH-5IS»tD3-S.73fi*03-6404*03"-6-?Q2t+03-7326+03QDE-tH13-L-lner,3dbAb»iU£/5tandrd6.9-S-HDec-30ZLHOiSiI<5MT+O3iJO2QLStepsTtmivegme7：SupTlrri&=1.000pnrn41YUd：9tS22mformd七U口出二rmWon"zk：4匚m+5.?fi=lt+CZ圖15襯砌的變形前后的形狀對比%B2275M：TruDdL,rigt