ABAQUS软件对隧道开挖过程的模拟

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 ，
0.2ν=，220kN/m γ=）
，混凝土衬砌（E=19GPa ，0.2ν=），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。

图2 part
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。