搜索基于ANSYS某地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程數(shù)值模擬分析【轉(zhuǎn)發(fā)】
2017-12-07 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
【問(wèn)題描述】:
某地鐵盾構(gòu)隧道管片襯砌內(nèi)徑為5.4m,外徑為D=6m,埋深為2D。從上至下,根據(jù)土層的物性參數(shù)不同將其分為3層,各層的材料參數(shù)和層厚為:
第1層:厚8m,E=3.94Mpa,v=0.35,ρ=18.28kN/m^3
第2層(隧道所在層):厚18m,E=20.6Mpa,v=0.3,ρ=20.62kN/m^3
第3層:厚15m,E=500Mpa,v=0.33,ρ=21.6kN/m^3
施工中掘削面頂進(jìn)壓力為0.3MPa,盾尾注漿壓力為0.15MPa。
試采用ANSYS模擬此過(guò)程。
【建模要點(diǎn)】:
1、建模過(guò)程充分使用對(duì)稱性建模的方便,使用到的對(duì)稱性命令為 arsym
2、網(wǎng)格劃分輔助mesh200的使用,建模思路為通過(guò)建立面,采用mesh200劃分面,拉伸面成體,從而形成實(shí)體單元。
3、注意在第2步采用面拉伸成體單元后,體單元材料屬性的重新賦值。
4、自重應(yīng)力場(chǎng)的求解。
5、利用重啟動(dòng)以及生死單元來(lái)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)的過(guò)程。
【建模過(guò)程】:
1、首先建立隧道附近的四分之一模型,注意網(wǎng)格的局部細(xì)分。
2、利用對(duì)稱性,建立二分之一隧道模型,并建立隧道上方和下方土體模型。
3、利用對(duì)稱性,建立整個(gè)隧道平面模型
4、利用面拉伸成體的思路,通過(guò)輔助單元建立實(shí)體單元,這里實(shí)體單元采用soild186進(jìn)行模擬。
注意拉伸時(shí)的一個(gè)額外命令的使用:
extopt,aclear,1
該命令意思也即是在拉伸完成后刪除母體單元mesh200
5、由于在拉伸時(shí)候都是默認(rèn)的材料號(hào)為1,拉伸完成后需根據(jù)不同的位置,選擇不同的土體進(jìn)行材料參數(shù)的改變。
6、約束條件的設(shè)置,本次約束取土地地面為全約束,各側(cè)邊約束為平行法向方向固定約束。頂面除四周邊界線有約束外,其余地方皆無(wú)約束。整個(gè)示意圖如下:
7、自重應(yīng)力場(chǎng)的求解。
8、利用重啟動(dòng)和單元生死功能,模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程。
【結(jié)果查看】
1、自重應(yīng)力場(chǎng)求解后的相關(guān)結(jié)果
Y方向應(yīng)力云圖:
位移云圖:
2、地層位移分析
地層位移本例是指相對(duì)于自重固結(jié)下的位移,因而在分析地層位移時(shí)需要采用荷載工況的手段減去第一步在自重計(jì)算下的結(jié)構(gòu)位移。例如在計(jì)算開(kāi)挖第一步時(shí)的計(jì)算命令流如下:
/POST1
LCDEF,1,1, ,
LCDEF,2,3, ,
LCASE,2,
LCOPER,SUB,1, , ,
開(kāi)挖第一步的位移云圖如下:
開(kāi)挖第四步的位移云圖如下:
開(kāi)挖第七步的位移云圖如下:
隧道貫通后的位移云圖如下:
從結(jié)果可見(jiàn),地層位移的最大值出現(xiàn)在隧道的拱頂和仰拱處,其中拱頂產(chǎn)生最大下沉約4.5cm,仰拱處產(chǎn)生最大上隆約4.9cm。
3、地表沉降分析
通過(guò)選擇地表表面的節(jié)點(diǎn)和單元,可以繪制地表的沉降分布云圖。標(biāo)準(zhǔn)的命令流格式如下:
CSYS,0
WPCSYS,-1
NSEL,S,LOC,Y,15 !選擇地表節(jié)點(diǎn)
ESLN,S !選擇附在節(jié)點(diǎn)上的單元
EPLOT
PLNSOL,U,Y,0,1
通過(guò)更改工況號(hào),即可得到不同工況作用下的地表沉降情況,下圖分布表示了第二步地層位移分析對(duì)應(yīng)的地表沉降情況。
開(kāi)挖第一步地表沉降位移云圖:
開(kāi)挖第四步地表沉降位移云圖:
開(kāi)挖第七步地表沉降位移云圖:
隧道貫通后的地表沉降位移云圖如下:
通過(guò)云圖可以看出,在盾構(gòu)機(jī)的頂進(jìn)作用下,地表發(fā)生了前隆后沉的現(xiàn)象。隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn),開(kāi)挖面后方的沉降槽越來(lái)越寬,最大沉降量也越來(lái)越大,隆起區(qū)域也逐步向前推進(jìn)。地表最大沉降量約為1.2cm,最大隆起量約為0.3cm。
4、管片結(jié)構(gòu)受力分析
進(jìn)行管片受力分析時(shí),不需要進(jìn)行工況組合,直接將沒(méi)每步的計(jì)算結(jié)果讀入內(nèi)存即可。如繪制第一步開(kāi)挖完畢后管片襯砌的Mises等效應(yīng)力云圖的命令流為:
VSEL,S,LOC,X,2.3,2.7
VSEL,R,LOC,Z,0,-3
ESLV,S !選取第1環(huán)管片
SET,3,LAST,1,
PLNSOL,S,EQV,0,1
通過(guò)選取不同的管片襯砌,及讀入不同的計(jì)算步,可以計(jì)算出各個(gè)開(kāi)挖步結(jié)束時(shí)的管片襯砌的等效Mises應(yīng)力云圖。
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