搜索隧道开挖实例（二）——隧道穿桩模拟【转】
2016-11-13 by:CAE仿真在线 来源:互联网
上次跟大家介绍了一个标准隧道(盾构)开挖的流程,同时提供了相关的CAE文件以及模型网格文件。不少宝宝都提出了一些问题,小胖先在此答下疑
1. CAE不能正常运行
首先,放计算文件的目的是为了宝宝们能够直观地感受各分析步的设置。你按照我的模型运行一遍得到结果,有啥用呢?其次,上次的模型囊括了很多种不同的情况,包括从边界开始开挖还是距边界一定距离处开挖,支护压力是均布还是线性变化,材料的相变过程等等,各位宝宝需要根据自己的需要作出调整。同时为了方便参数化建模时方便用命令选取单元面,我还定义了很多看似无意义的单元集合,但这些集合并没有用到具体的模型设置当中,只是在命令建模时充当了一个缓存的角色。
2.模型中如何考虑的应力释放、空隙单元?
上次给的是标准开挖模型,这种模拟方法是木有直接考虑应力释放因素的。同时,空隙单元的设置看个人(题外,小胖并不太习惯“空隙单元”这种说法。“单元”在有限元里是很"神圣"的,不要啥东西都放在“单元”前面。这个空隙单元可以表达成“如何考虑盾尾空隙的”,不好吗亲?)的需求。但小胖并不推荐在这种模拟方法内引入盾尾空隙的因素。通过材料的弱化,已经可以在一定程度上考虑土体的应力释放(当然包括盾尾空隙的因素),如果再引入另一个影响因素,那最后模型的可靠度会打折扣。模拟的终极目的当然是“simulate the world”,但在实际操作过程中还要考虑一个性价比的因素。
3.地应力平衡
互动过程中,小胖发现很多宝宝还是卡在了这一块。真是痛心。想当年小胖还没那么胖的时候,在这个问题上也是纠结得死去活来,早晚有一天,我要把所有的奇葩的地应力平衡案例总结给大家,也让宝宝们在本小号如沐春风一把。但这不是今天的主题。
正文开始
上次小胖是以长江西路工程为背景介绍了一下盾构隧道开挖模拟的“标准”流程。但阅读过小胖上次提供的论文的宝宝应该知道,那只是开胃菜啊。在浦东试掘进段之后,还有一个桩基穿越试验段。因为这个工程最为关注的是浦西逸仙路高架和上海地铁3号线高架的盾构穿越施工,而在前期咨询时两个单位做出的结果是相反的。正好这个时候浦东段正上方有一片拆掉的违章建筑,留下了若干排PHC管桩,和隧道之间的距离与浦西高架穿越段相仿。于是,施工单位就决定做个现场监测,也顺便让我们加了点工作量(说是顺便,其实就是XX嘛)。为了论文,小胖也就拼了。
上一张卫星图镇楼
看到没,就是在那个Field experiment指示的地方有几排白色的违建......如下图所示为布置监测设备的几个桩基
监测中在这些管桩内部布置了测斜管和分层沉降磁环。
(一)模型的建立
模型还是如以前小胖所述,先是在ABAQUS里建好几何,然后导出至HyperMesh划分网格。这次建模的难点主要在网格划分上。上次单纯的开挖建模,几何规则,其实只要在ABAQUS内部就能实现,但这次的网格划分涉及到桩基垂直于隧道,有强迫症的宝宝可能会很想结构划分一下,于是问题来了——交叉的部分咋办呀?这种情况,是一定要在HyperMesh里做的。上一张图,大家就明白了。
See?桩很细,网格的尺度和隧道完全不是一个量级,于是就会有很多过渡网格。就小胖的测试经验来讲,这种过渡网格的精度在工程尺度上还是满足要求的,问题不大(阿拉项目做完了,论文也发了,侬还想哪能?)。具体如何生成这种过渡网格,后期在HyperMesh网格划分教程系列中小胖会为大家总结。
然后就是导入ABAQUS中进行装配了。桩基的材料特性根据你的具体要求进行折减。对于PHC管桩,很多可能是法兰盘连接,因此弹性模量上可能需要折减一下。
(二)材料参数
和上一个标准开挖的例子一样,这次的材料参数基本没怎么变。其中注浆层的材料相变考虑了三个阶段,见下图
黏土采用修正剑桥模型,砂性土采用摩尔库伦模型。
(三)分析步
地应力平衡步仍是采用Geostatic,见下图
这里选择了Fixed,大家注意,如果选择了这个,那么Geostatic分析步会只进行全部增量的一次性计算,不通过就失败。即使通过,也无法保证平衡的位移在可接受的范围内。因此建议大家采用Automatic。CAE里的分析步我都选择了finite-strain分析(nlgeom = on),我在论文里声明过,small-strain和finite-strain的差别不算大,尤其是和监测数据比起来,更微不足道了。因此,宝宝们在微扰动分析时可以放心采用小应变分析(nlgeom = off)。
强调!由于此次模拟关注的是隧道开挖对已有桩基的影响,因此在地应力平衡时请各位宝宝把桩基一起考虑在内进行平衡!
(四)接触
桩土接触是重中之重,一般情况下可以采用最基本的库伦摩擦模型,定义两个接触面,然后定义好接触属性,见下图
桩土的摩擦系数可以参考地勘报告,一般都会给建议值。桩侧和土体尽量采用接触,桩端可以和土体Tie在一起,以节省计算资源。
在这里,小胖采用了有限滑移计算模式,并将两个接触面Tie在了一起(注意和Constraint里的Tie的区别)。严格意义上来讲,不应该Tie的,但如果不Tie,各位宝宝要在第一步地应力平衡的时候给定一个非常小的初始增量步(通常小于0.001),以保证接触面可以成功建立。同时小胖严重建议,提高你的网格质量!提高你的网格质量!!提高你的网格质量!!!最好的两种方式:(a)主从面节点一一对应,就像小胖的模型一样(臭美一下),这就需要HyperMesh了;(b)从面密一些,但要密得有逼格,换句话说,即使密,也要规则一些,保证不会出现相邻节点过近或过远。
小胖推荐surface to surface。同时,对于同一个面有分割的情况,小胖严重不建议单独建立接触对。比如主面分为A、B两部分,从面分为C、D两部分,那么宝宝们最好把接触对建成(A+B)vs(C+D)的方式,而不是(A)vs(B)和(C)vs(D)。
小胖偷懒了,为了快速收敛,我无耻地Tie了。
(五)荷载和边界
没什么需要讲的。各位宝宝注意一下,一般盾构开挖速度比较快,可以考虑为不排水模拟。因此地表的孔隙水压力边界最好Fix,见下图
我为什么说这个呢,因为如果不固定,TM瞬态分析孔压自由度增量瞬间E+10以上有木有!!小胖不晓得为毛,但为了在和谐社会中能够顺利毕业,我觉得加上这个边界条件挺好。
(六)结果展示
要点差不多就这些。宝宝们自行去下载CAE参考。不要再问我为什么会提示错误了!因为这个项目我弄了300多个不同的模型,从二维到三维,我也不知道到底哪个是我论文中采用的那个了。但我保证CAE里的设置不会偏离我的模拟思路,只可能是细节上的调整,比如nlgeom的选择,施工步的调整(model change)等。
给大家看下计算结果,详细的分析宝宝们可以去看论文。
宝宝们可以体会一下,计算结果还是基本可信。毕竟盾构施工影响因素太多,盾构机也不是我开的。能模拟到这个效果,不错了。不信你们去看看有多少横向位移能模拟得大差不离的论文?
也不要问我为啥没放云图,因为比较Low......
参考文献:
Pile and pile group response to tunnelling using a large diameter slurry shield – Case study in Shanghai
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