隧道开挖过程的数值模拟

隧道开挖引起土体隆起不一定都是莫尔库伦模型的错,接触面的激活也有影响。


为了模拟衬砌和周围土体的接触,可在衬砌周边和土体界面上设置接触对。按照施工顺序,通常在Geostatic分析步移除衬砌单元,然后在第一步开挖中移除土体,在第二步中激活衬砌单元和接触对。但是由于土体在第一步开挖后向隧道内变形(相应节点跑到了衬砌内部),激活衬砌及接触对后,ABAQUS会认为接触对两侧有overclosure,会在激活步中进行调整,使得隧道和土体产生向上的变形,与实际情况不符。图1是一个平面算例开挖后的竖向位移,图2是激活衬砌及接触对后的竖向位移。尽管激活步中没有施加任何荷载,土体还是出现了明显的上抬变形。

隧道开挖模拟-2的图1

图1

隧道开挖模拟-2的图2

图2

要解决这一问题,必须让激活后的衬砌的节点位置与开挖后土体变形相协调。这里给出一个简单的思路:在衬砌位置处设置两套共节点的重叠单元,单元集1采用较小的模量,在分析中一直保留;单元集2为真实的衬砌单元,在开挖后激活。具体操作为:

   (1)建模后,在inp文件中找到定义衬砌单元的语句,将其拷贝复制,并修改单元号(节点号不变),本例中衬砌采用梁单元模拟,原单元号为1-12,复制后单元号为10001-10012

   *Element, type=B21

    10001,  1,  2

    10002,  2,  3

    10003,  3,  4

    10004,  4,  5

    10005,  5,  6

    10006,  6,  7

    10007,  7,  8

    10008,  8,  9

    10009,  9, 10

   10010, 10, 11

   10011, 11, 12

   10012, 12, 13

   *Elset, elset=all2, generate(建立all2的单元集)

     10001,  10012,   1

   参考原有梁单元截面属性定义,建立新的截面属性

   *Beam Section, elset=all2, material=sh-Copy, temperature=GRADIENTS, section=RECT

   0.168, 1.

   0.,0.,-1.

   (2)修改inp语句,在geostatic分析步中移除all2,在衬砌生成步中重新激活

   *Step, name=Step-1, nlgeom=NO

   *Geostatic

   **

   *Model Change, remove

   part-2-1.all2

   *Step, name=Step-3, nlgeom=NO

   *Static

   1., 1., 1e-05, 1.

   *Model Change, add

   part-2-1.all2

图3和图4是开挖后和激活衬砌及接触面后的竖向位移图,激活衬砌后土体竖向变形没有变化,符合实际。

隧道开挖模拟-2的图3

图3

隧道开挖模拟-2的图4

图4

关注点:

1) 隧道开挖后的土体的上抬变形,有可能是abaqus调整接触面上的过盈量造成的。

2) 建立接触面时,注意土体内部面的方向,否则衬砌和土体之间不会有接触约束。

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