隧道穿越桩基的实例【inp见3#】

bananaliuchao

这个是前几天做的一个小项目，具体工程资料不便给出。贴出来模拟方法和思路以及处理结果，供大家参考。

该模型为二维，将盾构穿越节点处简化为一个平面应变问题。其中开挖边缘具最近的一根桩为1m。整个模型分为四个part——土体、等代层、衬砌、管桩。因上部桥梁为简支且无法简化为平面应变问题，因此将其忽略。

其中，等代层厚度的取值大家可以随便找来一篇文献，或是看去年新出的《abaqus在隧道及地下工程中的应用》一书。全部的part都采用实体模拟。
在设置接触的时候，要根据不同的问题来判断采用何种接触。本模型所关注的问题是盾构在穿越时桩基及其上部结构的力学响应问题，因此，涉及盾构的接触，完全可以用绑定约束，而管桩与土体的约束，自然就不能这样设置了。这里根据《abaqus在岩土工程中的应用》一书，假设其接触符合库伦摩擦定律，参数的设置也如此书所述，包括法向和切向。关于如何设置桩土接触，论坛里随便一搜便有很多。
土体参数采用修正剑桥模型（修正剑桥模型参数设置：http://forum.simwe.com/viewthread.php?tid=968882&;highlight=%D0%DE%D5%FD%BD%A3%C7%C5%C4%A3%D0%CD）
不考虑地下水渗流和固结。其它都设为线弹性。下面是网格示意图。


施工过程是，右侧盾构先行开挖，左侧盾构再行开挖。开挖的同时加上等代层和衬砌单元。
以上是模型概况，下面以该模型为基础，和大家探讨一下模拟过程中所碰到的一些问题。

bananaliuchao

首先是地应力平衡的问题。地应力平衡应该是一个比较成熟的技术了，但有些刚开始接触aba的童鞋可能还不太善于使用论坛搜索功能，总是发帖问。其实以前有很多人已经做过详细的阐述了，很多情况下直接搜索然后依葫芦画葫芦就可以了。
对于这种桩基事先存在，且有较繁琐的接触的情况，大家可以采用最普通的平衡方法，即加载后导出形心点应力场。

要注意，第一次平衡可采用initial conditions，type=stress,geostatic的方式，这时候step-1最好设置为static进行平衡，并且步长一定要小。计算完成后导出应力场，然后将原命令改为initial conditions，type=stress, input=xx.csv进行平衡。如此反复进行，当用static无法计算下去时，可以改为geostatic进行平衡。


再次强调一下：initial conditions,type=stress,geostatic下的命令行，其默认重力方向为Z（二维：Y）轴，因此最好在cae中将方向转过来再生成inp。在assembly中选定全部模型旋转即可。
最后一般都可以平衡到满意精度，如果一次不行，可在导出应力场前把精确位数扩大。如下图所示。

具体的操作方法这里不再赘述了，因为已经是老生常谈了。
关于剑桥模型下如何地应力平衡，见帖子：http://forum.simwe.com/viewthread.php?tid=968882&
下面是经过多次反复平衡后的效果：


平衡效果在10e-4m量级，对于工程来说绰绰有余。

PS:
这样反复平衡地应力其实很不方便，曾经尝试用Python编了一段代码，实现以下功能：先进行计算，完成后提取最大位移场，判定是否满足精度，然后再重新计算，循环进行至精度以内。但出现了问题就是到最后无法正常运算，最后一步得到的云图也不是对称的。精通Python的高手是否可以提示一下思路。python代码：
###############################################
#export initial geostatic stress via odb files#
###############################################
from odbAccess import *
from abaqusConstants import *
import csv
odb = openOdb(path='20110401.odb')
writer = csv.writer(file('gravity.csv', 'wb'))
lastFrame = odb.steps['Step-1'].frames[-1]
geostaticstress = lastFrame.fieldOutputs['S'].getSubset(position=CENTROID)
geostaticstressValues = geostaticstress.values
for c in geostaticstressValues:
    writer.writerow([c.elementLabel,c.data[0],c.data[1],c.data[2]])
odb.close()

bananaliuchao

关于地层损失率的问题。做过盾构的童鞋都知道，做到最后，判定数值计算结果的准确性无非就是和监测数据的比对。但没有监测数据时，则一般采用和Peck公式沉降曲线进行比对。对于本模型，我采用的做法是，先建立一个没有桩基，纯粹的开挖模型。然后根据得到的地表沉降曲线，采用高斯公式拟合，得到其反弯点、最大值等参数，然后根据这个曲线的包络面积除以开挖面积，得到地层损失率，将这个损失率与施工单位实际施工水平或是该地区经验值进行比较即可。
如下图：


该图即是没有桩基等地下结构物情况下右侧盾构开挖时的竖向位移云图。提取出其中红线上节点的竖向位移，得到一个地表沉降曲线：


然后采用高斯拟合，在origin中，如下图所示：

通过调节等代层参数得到不同的沉降曲线，从而得到不同的地层损失率。进而将不同损失率对应的等代层参数用到有地下结构物的模型中及可得到不同地层损失率下对应的桩基力学响应。
这个方法适用于没有监测数据的情况，多用于方案可行性分析的时候作为数值结果的一个理论依据。

bananaliuchao

关于后处理。因为是工程项目，所以不需要对计算结果做过多解读。下面给出几个实际过程中比较关心的结果。
1、竖向位移
            

2、桩基横向位移


右侧盾构开挖


左侧盾构开挖
3、衬砌变形


右侧盾构开挖


左侧盾构开挖
4、摩阻力
  


后处理还是比较粗的，感兴趣的童鞋可以做个模型，自己分析一下，尤其是摩阻力的变化，处理方法还需要进一步探讨。

PS：几个问题
1、地应力自动平衡的问题。对Python精通的童鞋是否有时间可以考虑一下如何实现地应力的自动平衡至精度内。我也正在考虑如何对源代码进行修改，主要还是提取最大位移场时出现了问题；
2、网格划分的问题。模型中采用了过渡网格，但感觉不是很靠谱，不知道有没有更好的解决办法；
3、此模型如果要扩展到三维，不知道采用aba还行不行得通，或许要再学下hm了......

mzsh

学习中，谢谢斑竹分享这么详细的实例

dbzal

bananaliuchao 发表于 2011-6-25 11:01
关于后处理。因为是工程项目，所以不需要对计算结果做过多解读。下面给出几个实际过程中比较关心的结果。
1 ...

真是望文兴叹啊！版主真是太厉害了

fifasong

学习了，非常感谢，请问这里的开挖就是用单元生死吗？

bananaliuchao

fifasong 发表于 2011-8-29 16:44
学习了，非常感谢，请问这里的开挖就是用单元生死吗？

恩  是采用的FCM

sjz146

bananaliuchao 发表于 2011-6-25 11:01
关于后处理。因为是工程项目，所以不需要对计算结果做过多解读。下面给出几个实际过程中比较关心的结果。
1 ...

楼主这个摩阻力输出在那里设置？谢谢拉

sjz146

bananaliuchao 发表于 2011-6-25 11:00
首先是地应力平衡的问题。地应力平衡应该是一个比较成熟的技术了，但有些刚开始接触aba的童鞋可能还不太善 ...

地应力平衡到10e-4m这个精度很低啊，能满足需要吗

sjz146

bananaliuchao 发表于 2011-6-25 11:00
首先是地应力平衡的问题。地应力平衡应该是一个比较成熟的技术了，但有些刚开始接触aba的童鞋可能还不太善 ...

地应力平衡时，给桩加载吗？

zdpjll

楼主很强大，请问楼主能否将上述实例的命令文件贡献出来，以飨记者啊，谢谢

who_is

外行看热闹，向内行学习

bananaliuchao

sjz146 发表于 2011-9-4 14:22
楼主这个摩阻力输出在那里设置？谢谢拉

step模块里面设置你的输出变量

bananaliuchao

sjz146 发表于 2011-9-4 14:23
地应力平衡到10e-4m这个精度很低啊，能满足需要吗

绰绰有余，盾构施工模拟中控制在mm级以上的精度完全没必要

bananaliuchao

sjz146 发表于 2011-9-4 14:38
地应力平衡时，给桩加载吗？

这个是盾构穿越对高架桩基的影响，自然是要加载的

bananaliuchao

zdpjll 发表于 2011-9-6 17:36
楼主很强大，请问楼主能否将上述实例的命令文件贡献出来，以飨记者啊，谢谢 ...

可能还要再等等 因为项目还没有结束，不好意思啊

sjz146

bananaliuchao 发表于 2011-9-17 21:38
step模块里面设置你的输出变量

怎么设置呢，我的STEP里怎么找不到相应的选项

bananaliuchao

sjz146 发表于 2011-9-19 12:00
怎么设置呢，我的STEP里怎么找不到相应的选项

output-field output requests

sjz146

bananaliuchao 发表于 2011-9-19 12:26
output-field output requests

我在里面找不到 CSHEARF,CSF2啊