搜索隧道開挖實例（二）——隧道穿樁模擬【轉】
2016-11-13 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
上次跟大家介紹了一個標準隧道(盾構)開挖的流程,同時提供了相關的CAE文件以及模型網格文件。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置。你按照我的模型運行一遍得到結果,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,各位寶寶需要根據自己的需要作出調整。同時為了方便參數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置當中,只是在命令建模時充當了一個緩存的角色。
2.模型中如何考慮的應力釋放、空隙單元?
上次給的是標準開挖模型,這種模擬方法是木有直接考慮應力釋放因素的。同時,空隙單元的設置看個人(題外,小胖并不太習慣“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引入盾尾空隙的因素。通過材料的弱化,已經可以在一定程度上考慮土體的應力釋放(當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.地應力平衡
互動過程中,小胖發現很多寶寶還是卡在了這一塊。真是痛心。想當年小胖還沒那么胖的時候,在這個問題上也是糾結得死去活來,早晚有一天,我要把所有的奇葩的地應力平衡案例總結給大家,也讓寶寶們在本小號如沐春風一把。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隧道開挖模擬的“標準”流程。但閱讀過小胖上次提供的論文的寶寶應該知道,那只是開胃菜啊。在浦東試掘進段之后,還有一個樁基穿越試驗段。因為這個工程最為關注的是浦西逸仙路高架和上海地鐵3號線高架的盾構穿越施工,而在前期咨詢時兩個單位做出的結果是相反的。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場監測,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。
上一張衛星圖鎮樓
看到沒,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測設備的幾個樁基
監測中在這些管樁內部布置了測斜管和分層沉降磁環。
(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,然后導出至HyperMesh劃分網格。這次建模的難點主要在網格劃分上。上次單純的開挖建模,幾何規則,其實只要在ABAQUS內部就能實現,但這次的網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構劃分一下,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,網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格。就小胖的測試經驗來講,這種過渡網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,論文也發了,儂還想哪能?)。具體如何生成這種過渡網格,后期在HyperMesh網格劃分教程系列中小胖會為大家總結。
然后就是導入ABAQUS中進行裝配了。樁基的材料特性根據你的具體要求進行折減。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
和上一個標準開挖的例子一樣,這次的材料參數基本沒怎么變。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。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,尤其是和監測數據比起來,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變分析(nlgeom = off)。
強調!由于此次模擬關注的是隧道開挖對已有樁基的影響,因此在地應力平衡時請各位寶寶把樁基一起考慮在內進行平衡!
(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
樁土的摩擦系數可以參考地勘報告,一般都會給建議值。樁側和土體盡量采用接觸,樁端可以和土體Tie在一起,以節省計算資源。
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的區別)。嚴格意義上來講,不應該Tie的,但如果不Tie,各位寶寶要在第一步地應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。同時小胖嚴重建議,提高你的網格質量!提高你的網格質量!!提高你的網格質量!!!最好的兩種方式:(a)主從面節點一一對應,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,也要規則一些,保證不會出現相鄰節點過近或過遠。
小胖推薦surface to surface。同時,對于同一個面有分割的情況,小胖嚴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,我覺得加上這個邊界條件挺好。
(六)結果展示
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里的設置不會偏離我的模擬思路,只可能是細節上的調整,比如nlgeom的選擇,施工步的調整(model change)等。
給大家看下計算結果,詳細的分析寶寶們可以去看論文。
寶寶們可以體會一下,計算結果還是基本可信。畢竟盾構施工影響因素太多,盾構機也不是我開的。能模擬到這個效果,不錯了。不信你們去看看有多少橫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:
Pile and pile group response to tunnelling using a large diameter slurry shield – Case study in Shanghai
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