搜索隧道開(kāi)挖實(shí)例（二）——隧道穿樁模擬【轉(zhuǎn)】
2016-11-13 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
上次跟大家介紹了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)隧道(盾構(gòu))開(kāi)挖的流程,同時(shí)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(wèn)題,小胖先在此答下疑
1. CAE不能正常運(yùn)行
首先,放計(jì)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(yùn)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(kāi)始開(kāi)挖還是距邊界一定距離處開(kāi)挖,支護(hù)壓力是均布還是線性變化,材料的相變過(guò)程等等,各位寶寶需要根據(jù)自己的需要作出調(diào)整。同時(shí)為了方便參數(shù)化建模時(shí)方便用命令選取單元面,我還定義了很多看似無(wú)意義的單元集合,但這些集合并沒(méi)有用到具體的模型設(shè)置當(dāng)中,只是在命令建模時(shí)充當(dāng)了一個(gè)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(kāi)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(shí),空隙單元的設(shè)置看個(gè)人(題外,小胖并不太習(xí)慣“空隙單元”這種說(shuō)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(gè)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(guò)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(gè)影響因素,那最后模型的可靠度會(huì)打折扣。模擬的終極目的當(dāng)然是“simulate the world”,但在實(shí)際操作過(guò)程中還要考慮一個(gè)性價(jià)比的因素。
3.地應(yīng)力平衡
互動(dòng)過(guò)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(méi)那么胖的時(shí)候,在這個(gè)問(wèn)題上也是糾結(jié)得死去活來(lái),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?cè)诒拘√?hào)如沐春風(fēng)一把。但這不是今天的主題。
正文開(kāi)始
上次小胖是以長(zhǎng)江西路工程為背景介紹了一下盾構(gòu)隧道開(kāi)挖模擬的“標(biāo)準(zhǔn)”流程。但閱讀過(guò)小胖上次提供的論文的寶寶應(yīng)該知道,那只是開(kāi)胃菜啊。在浦東試掘進(jìn)段之后,還有一個(gè)樁基穿越試驗(yàn)段。因?yàn)檫@個(gè)工程最為關(guān)注的是浦西逸仙路高架和上海地鐵3號(hào)線高架的盾構(gòu)穿越施工,而在前期咨詢時(shí)兩個(gè)單位做出的結(jié)果是相反的。正好這個(gè)時(shí)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),也順便讓我們加了點(diǎn)工作量(說(shuō)是順便,其實(shí)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(gè)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(cè)設(shè)備的幾個(gè)樁基
監(jiān)測(cè)中在這些管樁內(nèi)部布置了測(cè)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(diǎn)主要在網(wǎng)格劃分上。上次單純的開(kāi)挖建模,幾何規(guī)則,其實(shí)只要在ABAQUS內(nèi)部就能實(shí)現(xiàn),但這次的網(wǎng)格劃分涉及到樁基垂直于隧道,有強(qiáng)迫癥的寶寶可能會(huì)很想結(jié)構(gòu)劃分一下,于是問(wèn)題來(lái)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(gè)量級(jí),于是就會(huì)有很多過(guò)渡網(wǎng)格。就小胖的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)來(lái)講,這種過(guò)渡網(wǎng)格的精度在工程尺度上還是滿足要求的,問(wèn)題不大(阿拉項(xiàng)目做完了,論文也發(fā)了,儂還想哪能?)。具體如何生成這種過(guò)渡網(wǎng)格,后期在HyperMesh網(wǎng)格劃分教程系列中小胖會(huì)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(duì)于PHC管樁,很多可能是法蘭盤(pán)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)挖的例子一樣,這次的材料參數(shù)基本沒(méi)怎么變。其中注漿層的材料相變考慮了三個(gè)階段,見(jiàn)下圖
黏土采用修正劍橋模型,砂性土采用摩爾庫(kù)倫模型。
(三)分析步
地應(yīng)力平衡步仍是采用Geostatic,見(jiàn)下圖
這里選擇了Fixed,大家注意,如果選擇了這個(gè),那么Geostatic分析步會(huì)只進(jìn)行全部增量的一次性計(jì)算,不通過(guò)就失敗。即使通過(guò),也無(wú)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(guò),small-strain和finite-strain的差別不算大,尤其是和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比起來(lái),更微不足道了。因此,寶寶們?cè)谖_動(dòng)分析時(shí)可以放心采用小應(yīng)變分析(nlgeom = off)。
強(qiáng)調(diào)!由于此次模擬關(guān)注的是隧道開(kāi)挖對(duì)已有樁基的影響,因此在地應(yīng)力平衡時(shí)請(qǐng)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(kù)倫摩擦模型,定義兩個(gè)接觸面,然后定義好接觸屬性,見(jiàn)下圖
樁土的摩擦系數(shù)可以參考地勘報(bào)告,一般都會(huì)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(jì)算資源。
在這里,小胖采用了有限滑移計(jì)算模式,并將兩個(gè)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(lái)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(shí)候給定一個(gè)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(shí)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(diǎn)一一對(duì)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(shuō),即使密,也要規(guī)則一些,保證不會(huì)出現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)過(guò)近或過(guò)遠(yuǎn)。
小胖推薦surface to surface。同時(shí),對(duì)于同一個(gè)面有分割的情況,小胖嚴(yán)重不建議單獨(dú)建立接觸對(duì)。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(duì)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(wú)恥地Tie了。
(五)荷載和邊界
沒(méi)什么需要講的。各位寶寶注意一下,一般盾構(gòu)開(kāi)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(jiàn)下圖
我為什么說(shuō)這個(gè)呢,因?yàn)槿绻还潭?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(huì)中能夠順利畢業(yè),我覺(jué)得加上這個(gè)邊界條件挺好。
(六)結(jié)果展示
要點(diǎn)差不多就這些。寶寶們自行去下載CAE參考。不要再問(wèn)我為什么會(huì)提示錯(cuò)誤了!因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目我弄了300多個(gè)不同的模型,從二維到三維,我也不知道到底哪個(gè)是我論文中采用的那個(gè)了。但我保證CAE里的設(shè)置不會(huì)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(jì)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(huì)一下,計(jì)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(jī)也不是我開(kāi)的。能模擬到這個(gè)效果,不錯(cuò)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(wèn)我為啥沒(méi)放云圖,因?yàn)楸容^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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