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ABAQUS在岩土开挖分析工程中的应用

作者:管理员    发布于:2014-11-17 02:43:40    文字:【】【】【

随着计算力学、计算数学、工程管理学特别是信息技术飞速发展,数值模拟技术日趋成熟。数值模拟可以广泛的应用到土木、机械、电子、能源、冶金、国防军工、航天航空等诸多领域。

有限元法作为工程分析领域应用较为广泛的一种计算方法,自20世纪中叶以来,以其独有的计算优势得到了广泛的发展和应用,已出现了不同的有限元算法,并由此产生了一批非常成熟的通用和专业有限元商业软件。ABAQUS软件以它的多物理场耦合分析功能成为CAE软件的应用主流,在工程分析应用中得到了较为广泛的应用。

岩土开挖分析工程数值分析对有限元分析软件有特定的要求,如需拥有能够真实反应土体形状的本构模型、能够进行有效应力和孔压的计算、可以准确模拟接触面性状等等。ABAQUS软件在这些方面具有很强的适应性。以下简要介绍以下ABAQUS软件在岩土开挖分析工程中的应用。

1、有限元方法简介:

有限元方法的基础是变分原理和加权余量法,其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元,在每个单元内,选择一些合适的节点作为求解函数的插值点,将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式 ,借助于变分原理或加权余量法,将微分方程离散求解。

有限单元法根据其未知变量的设置类型可分为三种方法:

1) 位移法有限元(以单元节点位移为基本未知量)

2) 力法有限元(以单元节点力为基本未知量)

3) 混合有限元(部分节点力和部分节点位移作为基本未知量)

2、利用ABAQUS分析岩土开挖工程的注意事项及技术总结

2.1基坑开挖

1) 考虑对称性, 计算区域取基坑的一半;

2) 把问题简化为平面应变问题;

3) 假设计算土体为一层均匀土体;

4) 每开挖一定深度就要设置一定支撑。

2.2考虑渗流和变形耦合的基坑开挖

在软土地区开挖基坑时,地下水渗流对基坑工程性状的影响不容忽略,基坑开挖卸载在坑底和周围的土体内产生负的孔隙水压力,并随着每步开挖结束后暴露时间的增加逐渐消散;同时,地下水在坑内外水头差的作用下发生渗流。所以在地下水位高时,基坑开挖将伴随着开挖卸载、坑内外水头差的变化、超静孔隙水压力消散的耦合过程。

2.3隧道开挖和支护过程

1) 把问题简化为平面应变问题,建立2D平面模型;

2) 通过对不同模型方案的对比,可以选出最优化的施工方案;

3) ABAQUS这样的有限元程序提供的ADDREMOVE功能可以很方便地实现开挖和支护过程,且操作方便、计算速度快。

2.4隧道开挖过程的三维模拟

1) 模型尺寸及边界条件

i. 隧道模型横断面尺寸可根据情况取7~10倍的隧道直径,对于浅埋隧道,模型顶面可取至物理对象顶面;纵向长度要考虑空间效应的影响。

ii. 顶面取自由面,底面为双向约束,左右边界为水平约束,前后边界为水平约束。

2) 单元选择

围岩采用实体单元,衬砌采用实体单元或壳单元,锚杆可采用杆单元。

3) 地层损失

4) 初始地应力平衡

关键在于保持总体坐标与ABAQUS默认的系统坐标相一致:对于平面模型,Y轴为竖直方向;对于三维模型,Z轴为竖直方向。

5) 隧道超前支护

隧道施工中超前支护一般采用管棚或注浆小导管,形成一个环状的加固层。

6) 隧道开挖与支护

i. 模拟隧道开挖的方法主要有两种:反转应力法与刚度折减法,反转应力法就是在开挖边界上施加一等效释放载荷,通过等效释放载荷的分级释放,模拟不同的施工过程。刚度折减法是通过不断折减被挖对象的刚度来模拟隧道的开挖过程。

ii. 隧道不同埋深的处理

对于隧道的不同埋深,可以先建立一个均匀埋深的隧道,然后通过在模型顶面施加不均匀的分布力,以此来模拟隧道不同的上覆岩层厚度。

 

 
 
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