隧道施工应力释放法的ABAQUS实现【inp及代码见2#】

bananaliuchao

有日子没发技术性主题了，因此积分也少得可怜，作为一个aba版斑竹，我承认我很懒，基础很不扎实。
今天要和坛油探讨的一个问题是隧道施工模拟的一种传统的方法——应力释放法。
应力释放法模拟隧道开挖主要有两种实现途径，大家可以参考帖子：
http://forum.simwe.com/thread-765338-1-1.html
简单的说，主要就是参数弱化法和施加节点反力法。这两种方法各有优劣。
参数弱化法：
优点：1、便于实现；2、便于控制应力释放过程；
缺点：1、无法给出明确的应力释放率；2、无法用在剑桥模型中，因为找不到一个合适的参数进行弱化。
施加节点反力法：
优点：1、能够明确给出应力释放率；2、物理意义较为明确；
缺点：实现过程不是很方便
下面跟大家汇报一下我的做法，希望有经验的童鞋给出建议，各种板砖，放心拍吧~
一、参数弱化法
参数弱化方法其实没有什么难度，版内已经讨论了无数次了。各种牛们也是不厌其烦的跟新手们说了一遍又一遍，可惜有些童鞋天生喜欢求助，上来就发帖问，完全置搜索功能于不顾。所以我在这要再次呼吁，搜索处要更加醒目，加红字，加粗，加浮动，另外加旁注：亲，如果你想快速入门aba，搜索吧，这是闷骚技术人新一代的学习方法，包会哦！
参数弱化，主要就是弱化弹性模量，这个可以通过关键字*field来实现，具体肿么实现，搜索吧。下面给出计算后的云图，抛砖引玉。
地应力平衡，勉强可以吧：



待开挖区域弹性模量折减20%：

如何添加衬砌以及如何设置追踪单元我想再单开一贴和大家进行总结探讨。上面位移矢量图隐去了待开挖部分，是为了矢量显示清晰，实际上这一步待开挖（中心土体）部分实际还是存在的，只不过弹性模量折减过了。从图中可以看出，这种方法计算出的位移场并不是很符合实际情况。隧道开挖土体位移场可以参见帖子：http://forum.simwe.com/thread-985421-1-1.html
在这里也顺便给这个帖子做个个人的解答吧。关于该贴提出的强制位移法，我想在后面专开一贴和大家讨论总结。
有经验的童鞋可否告知你们采用折减法做出的位移场是否也和上面一样的？
二、施加节点反力法
这一方法的技术难点在于，如何获得地应力平衡后隧道周边土体节点反力。通过搜索和查看manual，基本可以锁定两种输出量：NFORC & RF。其中，RF只能在有边界约束处输出，NFORC根据manual我猜测应该是由节点所涉及单元的应力进行外插平均后得到的节点力，参见帖子：http://forum.simwe.com/thread-883192-1-1.html10#。不管怎样，总的思路是，通过对开挖后隧道相邻土体节点施加非均布节点力，使得此时的模型（土体）保持初始地应力和位移准零状态，然后施加原节点荷载*（1-应力释放率），以此来模拟不同的应力释放率下隧道及土体的力学响应。
以前的帖子对这个问题讨论了很多，有代表性的列举如下（话说论坛的收藏是个好功能）：

http://forum.simwe.com/thread-872620-1-1.html
该贴lz给出了四种获取节点力的方法，都很有参考价值。最后采用了NFORC，但得到的效果不是很理想。我做了一下，发现的确如该lz所说，NFORC输出的节点力是不能直接施加到原节点上的，即使乘以2倍，也只能是接近实际的节点力。所得到的位移场在初始状态就有很大的位移，不符合前面提出的总体思路。该贴5#和7#都提出采用约束洞周位移获取RF。事实证明，这个方法是可行的，但不同的操作方式得到的结果千差万别。该贴7#提出的思路是对的，但给出的文件中将洞周位移约束贯穿了整个施工过程，这样造成的后果是，其计算起始点已经不再是green field的情况，得到的应力场自然不符合实际情况，那么在错误的应力场上做的计算怎么能对呢？

http://forum.simwe.com/thread-854591-1-1.html
该贴给出了施加洞周约束获取反力的正确思路，即施加洞周位移约束要在地应力平衡后进行。这样能保证施加位移约束时的地应力初始状态。下面就我做的例子详细说明。

模型：

材料参数：
修正剑桥模型
*Material, name=soil-3
*Clay Plasticity, intercept=1.45
0.11, 1.27,   0.,   1.,   1., ,   1.
*Density
1770.,
*Porous Elastic
0.009, 0.32,   0.
剑桥模型参数的设置参见：http://forum.simwe.com/thread-968882-1-1.html
这里再啰嗦几句，最近很多人在问为什么用剑桥模型的时候会提示“THE SUM OF INITIAL PRESSUE AND ELASTIC TENSILE STRENGTH FOR THE POROUS ELASTIC MATERIAL IN ELEMENT..."，如果你确定有地应力平衡，那么就请你检查是否是用的直接加重力平衡的吧。多孔介质弹性模型是需要在initial conditions中定义初始地应力的。
地应力平衡：

平衡效果一般，主要是做实例，只平衡了一次，到了10E-4就没再管了。
施加洞周边界约束，同时remove掉待开挖部分

可以看出，这一步进行完后，剩余土体的应力基本没有发生改变，也就是基本保持了初始地应力，在这种情况下导出节点力再倒入折减后支护力才是正确的。可以看出施加洞周位移约束后土体位移分布发生了变化，但数量级还是很小，基本没变，可以忽略。最后一张图是洞周节点反力云图，在这种情况下就可以输出节点反力了。下面介绍一下我的做法。

bananaliuchao

注意输出时不要输出最大值，只输出1、2自由度就行了（三维的是1、2、3）。输出文件的格式是：
node labels     RF on freedom 1       RF on freedom 2
这种格式是不能直接导入计算过程的，需要进行处理，处理后的数据文件可以是.csv或.inp，数据格式为
nodal labels，freedom，RF value
然后再修改计算inp文件，在需要释放应力的那一步加入关键字：
*cload
*include, inp=xxx.csv
xxx.csv为处理后的节点反力文件。例如：
未修改的数据格式：
25     318.7293E+03    -1.473298E+03
26         338.4979    -869.7491E+03
修改后变为：
25,1,3.1873e+005
25,2,-1473.3
26,1,338.5
26,2,-8.6975e+005
详见帖子：http://forum.simwe.com/thread-982917-1-1.html
这个过程我是用matlab做了一个小程序处理的。也上传到附件大家参考，其实就是套个循环，顺便把应力释放系数也放进去了，matlab里直接运行函数relase(a)就行了，a为你要的应力释放系数，弱暴了~
计算结果：

第一张是位移云图，看起来还是靠谱的。第二张是位移矢量图，可以看出洞周变土体已经向洞内收敛了。第三张为施加的节点荷载，可以看出规律还是对的。
这个是处理文件的小代码，大家莫笑，我已经很久很久没编程了。附后一方法inp

暂时就想到这么多，随时补充。

高亮一下题目，吸引更多坛油来参与讨论，大家见笑了~

bananaliuchao

补充几点：
1、aba里NFORC到底是如何产生，所谓“due to element stress”到底指的神马意思；
2、从上面的位移场可以看出，在隧道中心线两侧一定距离的土体仍是远离隧道的，不知道实际情况是不是这样；
3、有兴趣的童鞋可以做不同埋深和直径的情况，看看最后位移场到底是什么情况的；
4、如果采用DP模型，最后得出的径向位移场沿洞周基本是均布的，分析原因可能是DP不能区分压缩模量和回弹模量的原因。
总的来说，cam还是个好模型啊。

zl806906

版主，您压缩文件里是不是少放了一个cam-cload.csv文件啊，打不开啊，谢谢

lijingjing230

谢谢版主了

bananaliuchao

koquer 发表于 2012-3-26 13:53
版主，我想模拟节点反力慢慢减小的过程中对土的影响，请问怎么模拟啊

。。。。帖子里不是已经说明了么。不过三维的还是比较麻烦的

koquer

版主，我想模拟节点反力慢慢减小的过程中对土的影响，请问怎么模拟啊

koquer

我想明白了，我是再加个节点反力，大小和原来一样，方向相反，然后分析步中线性变化，就可以模拟反力逐渐变小对土的影响了

kerrylang

受教了

如果构造应力和自重应力相对比较小，那么这个释放是不是应该相当快，就不用考虑这个过程？
另外，这个衬砌在通常情况下都是在一定时间之后加上去的，这个应该是不是得到了进一步的释放？
那么，这个具体释放了多少是不是很难确定？

bananaliuchao

koquer 发表于 2012-3-26 16:03
我想明白了，我是再加个节点反力，大小和原来一样，方向相反，然后分析步中线性变化，就可以模拟反力逐渐变 ...

嗯，是这样，不过如果手工操作很麻烦

bananaliuchao

kerrylang 发表于 2012-3-26 17:04
受教了

如果构造应力和自重应力相对比较小，那么这个释放是不是应该相当快，就不用考虑这个过程？

我这个是在土体里的盾构掘进，不需要考虑构造应力。这个本身考虑的就是自重应力的释放。具体释放多少跟本无法从抽象的数学模型中推导出来，目前只能进行反演分析。

abcdzhaoshuqin

你好，上面介绍的参数弱化法和应力释放法如果应用的三维模型中是不是很麻烦啊，因为三维模型中要分好多个开挖步的啊，要按上面所说的话，每一个开挖步都得进行参数弱化或者应力释放呢。

abcdzhaoshuqin

我现在模拟的盾构施工的方法只是采用了单元生死功能，移除要开挖的土体，施加衬砌和等代层，同时施加注浆压力和开挖面推进力。这样做是很简单，但是这样模拟对吗？我模拟出的隧道两侧的土体位移是远离隧道的啊，论坛里说应该是想隧道方向的呢

bananaliuchao

abcdzhaoshuqin 发表于 2012-3-31 16:14
你好，上面介绍的参数弱化法和应力释放法如果应用的三维模型中是不是很麻烦啊，因为三维模型中要分好多个开 ...

三维模拟基本无法方便的实现，毕竟不是专业岩土软件

bananaliuchao

abcdzhaoshuqin 发表于 2012-3-31 16:18
我现在模拟的盾构施工的方法只是采用了单元生死功能，移除要开挖的土体，施加衬砌和等代层，同时施加注浆压 ...

加了注浆压力当然是向外跑的，盾构工法不是新奥，不用听他们瞎说。我接触的实际情况，盾尾脱出的时候土体都是向外的，向内说明注浆量不够。只是在盾尾远离的时候，由于浆液固化、固结等作用，才会有一定的收缩变为。

privateryan

bananaliuchao 发表于 2012-3-31 17:53
加了注浆压力当然是向外跑的，盾构工法不是新奥，不用听他们瞎说。我接触的实际情况，盾尾脱出的时候土体 ...

版主，弱弱的问一句，注浆压力用什么模拟？是直接在面上加面力吗？？

eeaatt

这种弱化弹模的方法有理论依据么老大？

tjuhuhu612

好贴，感谢楼主的细心传授

765244846

楼主做得真漂亮

hou2012

版主威武，能加个qq吗，向你学习一下。我的1305542053