搜索隧道開挖實例（二）——隧道穿樁模擬【轉(zhuǎn)】
2016-11-13 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
上次跟大家介紹了一個標(biāo)準(zhǔn)隧道(盾構(gòu))開挖的流程,同時提供了相關(guān)的CAE文件以及模型網(wǎng)格文件。不少寶寶都提出了一些問題,小胖先在此答下疑
1. CAE不能正常運行
首先,放計算文件的目的是為了寶寶們能夠直觀地感受各分析步的設(shè)置。你按照我的模型運行一遍得到結(jié)果,有啥用呢?其次,上次的模型囊括了很多種不同的情況,包括從邊界開始開挖還是距邊界一定距離處開挖,支護(hù)壓力是均布還是線性變化,材料的相變過程等等,各位寶寶需要根據(jù)自己的需要作出調(diào)整。同時為了方便參數(shù)化建模時方便用命令選取單元面,我還定義了很多看似無意義的單元集合,但這些集合并沒有用到具體的模型設(shè)置當(dāng)中,只是在命令建模時充當(dāng)了一個緩存的角色。
2.模型中如何考慮的應(yīng)力釋放、空隙單元?
上次給的是標(biāo)準(zhǔn)開挖模型,這種模擬方法是木有直接考慮應(yīng)力釋放因素的。同時,空隙單元的設(shè)置看個人(題外,小胖并不太習(xí)慣“空隙單元”這種說法。“單元”在有限元里是很"神圣"的,不要啥東西都放在“單元”前面。這個空隙單元可以表達(dá)成“如何考慮盾尾空隙的”,不好嗎親?)的需求。但小胖并不推薦在這種模擬方法內(nèi)引入盾尾空隙的因素。通過材料的弱化,已經(jīng)可以在一定程度上考慮土體的應(yīng)力釋放(當(dāng)然包括盾尾空隙的因素),如果再引入另一個影響因素,那最后模型的可靠度會打折扣。模擬的終極目的當(dāng)然是“simulate the world”,但在實際操作過程中還要考慮一個性價比的因素。
3.地應(yīng)力平衡
互動過程中,小胖發(fā)現(xiàn)很多寶寶還是卡在了這一塊。真是痛心。想當(dāng)年小胖還沒那么胖的時候,在這個問題上也是糾結(jié)得死去活來,早晚有一天,我要把所有的奇葩的地應(yīng)力平衡案例總結(jié)給大家,也讓寶寶們在本小號如沐春風(fēng)一把。但這不是今天的主題。
正文開始
上次小胖是以長江西路工程為背景介紹了一下盾構(gòu)隧道開挖模擬的“標(biāo)準(zhǔn)”流程。但閱讀過小胖上次提供的論文的寶寶應(yīng)該知道,那只是開胃菜啊。在浦東試掘進(jìn)段之后,還有一個樁基穿越試驗段。因為這個工程最為關(guān)注的是浦西逸仙路高架和上海地鐵3號線高架的盾構(gòu)穿越施工,而在前期咨詢時兩個單位做出的結(jié)果是相反的。正好這個時候浦東段正上方有一片拆掉的違章建筑,留下了若干排PHC管樁,和隧道之間的距離與浦西高架穿越段相仿。于是,施工單位就決定做個現(xiàn)場監(jiān)測,也順便讓我們加了點工作量(說是順便,其實就是XX嘛)。為了論文,小胖也就拼了。
上一張衛(wèi)星圖鎮(zhèn)樓
看到?jīng)],就是在那個Field experiment指示的地方有幾排白色的違建......如下圖所示為布置監(jiān)測設(shè)備的幾個樁基
監(jiān)測中在這些管樁內(nèi)部布置了測斜管和分層沉降磁環(huán)。
(一)模型的建立
模型還是如以前小胖所述,先是在ABAQUS里建好幾何,然后導(dǎo)出至HyperMesh劃分網(wǎng)格。這次建模的難點主要在網(wǎng)格劃分上。上次單純的開挖建模,幾何規(guī)則,其實只要在ABAQUS內(nèi)部就能實現(xiàn),但這次的網(wǎng)格劃分涉及到樁基垂直于隧道,有強迫癥的寶寶可能會很想結(jié)構(gòu)劃分一下,于是問題來了——交叉的部分咋辦呀?這種情況,是一定要在HyperMesh里做的。上一張圖,大家就明白了。
See?樁很細(xì),網(wǎng)格的尺度和隧道完全不是一個量級,于是就會有很多過渡網(wǎng)格。就小胖的測試經(jīng)驗來講,這種過渡網(wǎng)格的精度在工程尺度上還是滿足要求的,問題不大(阿拉項目做完了,論文也發(fā)了,儂還想哪能?)。具體如何生成這種過渡網(wǎng)格,后期在HyperMesh網(wǎng)格劃分教程系列中小胖會為大家總結(jié)。
然后就是導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行裝配了。樁基的材料特性根據(jù)你的具體要求進(jìn)行折減。對于PHC管樁,很多可能是法蘭盤連接,因此彈性模量上可能需要折減一下。
(二)材料參數(shù)
和上一個標(biāo)準(zhǔn)開挖的例子一樣,這次的材料參數(shù)基本沒怎么變。其中注漿層的材料相變考慮了三個階段,見下圖
黏土采用修正劍橋模型,砂性土采用摩爾庫倫模型。
(三)分析步
地應(yīng)力平衡步仍是采用Geostatic,見下圖
這里選擇了Fixed,大家注意,如果選擇了這個,那么Geostatic分析步會只進(jìn)行全部增量的一次性計算,不通過就失敗。即使通過,也無法保證平衡的位移在可接受的范圍內(nèi)。因此建議大家采用Automatic。CAE里的分析步我都選擇了finite-strain分析(nlgeom = on),我在論文里聲明過,small-strain和finite-strain的差別不算大,尤其是和監(jiān)測數(shù)據(jù)比起來,更微不足道了。因此,寶寶們在微擾動分析時可以放心采用小應(yīng)變分析(nlgeom = off)。
強調(diào)!由于此次模擬關(guān)注的是隧道開挖對已有樁基的影響,因此在地應(yīng)力平衡時請各位寶寶把樁基一起考慮在內(nèi)進(jìn)行平衡!
(四)接觸
樁土接觸是重中之重,一般情況下可以采用最基本的庫倫摩擦模型,定義兩個接觸面,然后定義好接觸屬性,見下圖
樁土的摩擦系數(shù)可以參考地勘報告,一般都會給建議值。樁側(cè)和土體盡量采用接觸,樁端可以和土體Tie在一起,以節(jié)省計算資源。
在這里,小胖采用了有限滑移計算模式,并將兩個接觸面Tie在了一起(注意和Constraint里的Tie的區(qū)別)。嚴(yán)格意義上來講,不應(yīng)該Tie的,但如果不Tie,各位寶寶要在第一步地應(yīng)力平衡的時候給定一個非常小的初始增量步(通常小于0.001),以保證接觸面可以成功建立。同時小胖嚴(yán)重建議,提高你的網(wǎng)格質(zhì)量!提高你的網(wǎng)格質(zhì)量!!提高你的網(wǎng)格質(zhì)量!!!最好的兩種方式:(a)主從面節(jié)點一一對應(yīng),就像小胖的模型一樣(臭美一下),這就需要HyperMesh了;(b)從面密一些,但要密得有逼格,換句話說,即使密,也要規(guī)則一些,保證不會出現(xiàn)相鄰節(jié)點過近或過遠(yuǎn)。
小胖推薦surface to surface。同時,對于同一個面有分割的情況,小胖嚴(yán)重不建議單獨建立接觸對。比如主面分為A、B兩部分,從面分為C、D兩部分,那么寶寶們最好把接觸對建成(A+B)vs(C+D)的方式,而不是(A)vs(B)和(C)vs(D)。
小胖偷懶了,為了快速收斂,我無恥地Tie了。
(五)荷載和邊界
沒什么需要講的。各位寶寶注意一下,一般盾構(gòu)開挖速度比較快,可以考慮為不排水模擬。因此地表的孔隙水壓力邊界最好Fix,見下圖
我為什么說這個呢,因為如果不固定,TM瞬態(tài)分析孔壓自由度增量瞬間E+10以上有木有!!小胖不曉得為毛,但為了在和諧社會中能夠順利畢業(yè),我覺得加上這個邊界條件挺好。
(六)結(jié)果展示
要點差不多就這些。寶寶們自行去下載CAE參考。不要再問我為什么會提示錯誤了!因為這個項目我弄了300多個不同的模型,從二維到三維,我也不知道到底哪個是我論文中采用的那個了。但我保證CAE里的設(shè)置不會偏離我的模擬思路,只可能是細(xì)節(jié)上的調(diào)整,比如nlgeom的選擇,施工步的調(diào)整(model change)等。
給大家看下計算結(jié)果,詳細(xì)的分析寶寶們可以去看論文。
寶寶們可以體會一下,計算結(jié)果還是基本可信。畢竟盾構(gòu)施工影響因素太多,盾構(gòu)機也不是我開的。能模擬到這個效果,不錯了。不信你們?nèi)タ纯从卸嗌贆M向位移能模擬得大差不離的論文?
也不要問我為啥沒放云圖,因為比較Low......
參考文獻(xiàn):
Pile and pile group response to tunnelling using a large diameter slurry shield – Case study in Shanghai
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