CN110008523A - 一种用于cel方法的岩土开挖数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法，首先对土体建立三维有限元模型，对土体参数进行赋值，建立欧拉材料截面，并指派该欧拉截面于土体，然后分别对土体底部和侧面施加位移边界条件，再对土体模型施加地应力的预定义场，并在地应力平衡分析步施加重力，以还原原位的应力状态，通过调整土体参数和边界条件来进行开挖模拟，最终得到应力云图和土体位移，实现开挖的目的，解决了岩土工程中开挖和贯入模拟难以同时进行的问题，更加经济化、合理化的实现数值模拟，工作效率更高，也更符合实际需求。

Description

一种用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法

所属领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法。

背景技术

在现有岩土工程技术领域中，针对岩土开挖的问题，常采用“生死单元”法来进行模拟开挖，“生死单元”方法的原理为：将被“杀死”的单元的单元刚度矩阵中的元素乘以一很小的系数(默认值为1.0e-6)，这样，与被杀死单元相联系的单元荷载也被设置为0，其质量、阻尼等一切对计算有影响的参数都设置为0。在Abaqus有限元软件中，生死单元法广泛用于Abaqus/Standard分析模块，其操作方法为在CAE中利用Model change功能，选择待开挖区域土体，对其进行移除，便实现了开挖的效果，另外也可以通过在inp文件中写入*Model change，remove语句来实现。

而对于岩土贯入问题，当采用传统的拉格朗日方法时，有限元网格会因扭曲畸变而产生收敛困难的问题，因而一种内嵌在Abaqus/Explicit分析模块的耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法被提出，用来解决大变形问题。该方法结合了欧拉方法和拉格朗日方法的优点，将土体用欧拉体进行描述，将贯入体用拉格朗日体进行描述，有效地解决了网格扭曲的问题。

但由于“生死单元”法不能用于Abaqus/Explicit分析模块，所以“生死单元”法及耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法存在严重冲突，当对同时存在开挖和贯入的岩土问题进行模拟时，将会出现使用困难，难以实现的问题，因此为了最大程度的经济化、合理化，实现开挖和贯入同时模拟的情况，急需寻找其他更为合适且兼容的模拟开挖方法。

发明内容

本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法，首先对土体建立三维有限元模型，对土体参数进行赋值，建立欧拉材料截面，并指派该欧拉截面于土体，然后分别对土体底部和侧面施加位移边界条件，再对土体模型施加地应力的预定义场，并在地应力平衡分析步施加重力，以还原原位的应力状态，通过调整土体参数和边界条件来进行开挖模拟，最终得到应力云图和土体位移，实现开挖的目的，解决了岩土工程中开挖和贯入模拟难以同时进行的问题，更加经济化、合理化的实现数值模拟，工作效率更高，也更符合实际需求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法，该方法具体包括以下步骤：

S1,对土体建立三维有限元模型，所述土体部件的类型为欧拉体；

S2,对土体参数进行赋值，赋值后，建立欧拉材料截面，并指派该欧拉截面于土体；

S3,分别对土体底部和侧面施加位移边界条件，所述土体底部的位移边界条件为约束竖直方向的自由度，土体侧面的位移边界条件为约束水平方向自由度，土体上表面边界自由；

S4,对土体模型施加地应力的预定义场，并在地应力平衡分析步施加重力，以还原原位的应力状态；

S5,调整土体参数和边界条件来进行开挖模拟；

S6,对模拟结果进行计算及后处理，得到应力云图和土体位移。

作为本发明的一种改进，所述步骤S1中三维有限元模型是以开挖区域中心横截面为对称面的对称模型。

作为本发明的一种改进，所述步骤S2中土体参数至少包括密度ρ、弹性模量E、泊松比μ、内摩擦角φ以及粘聚力c，针对内摩擦角φ和粘聚力c还设置了场变量，所述场变量将内摩擦角φ和粘聚力c在开挖步调整为0或接近于0。

作为本发明的又一种改进，所述步骤S3中的边界位移条件施加，在模型的对称面上，开挖区域的土体和未开挖区域土体的边界条件应分别依次施加。

作为本发明的另一种改进，所述步骤S5中，建立开挖区域节点集合，且开挖模拟在两个分析步中进行，具体包括：

S51，定义时间较短的分析步，在该分析步中，调整开挖区域土体参数和边界条件，将开挖区域土体的内摩擦角φ和粘聚力c参数降低至0或接近0，并撤销开挖区域土体位于对称面上的位移边界条件；

S52，定义时间较长的分析步作为开挖的第二个分析步，使开挖区域的土体在参数被改变、位移边界条件被撤销后有足够的时间流出。

作为本发明的更进一步改进，所述步骤S6中土体位移的处理通过示踪粒子技术实现，在监测断面选取节点建立示踪粒子父节点的节点集合，通过对应指令语句激活示踪粒子，获得土体位移值。

与现有技术相比，本发明通过建立欧拉土体模型，并控制开挖区域土体参数及边界条件，使开挖区域土体在自重的作用下流出欧拉域，一旦流出欧拉域，土体便会失效并不再参与计算，从而达到了和生死单元法基本相同的开挖的效果。该方法由于可以用于CEL方法中，而CEL方法在模拟岩土贯入问题中具有独特的优势，因此解决了岩土工程中开挖和贯入模拟难以同时进行的问题，更加经济化、合理化的实现数值模拟，工作效率更高，也更符合实际需求，在岩土工程技术领域可以得到有效利用。

附图说明

图1是本发明方法的效果示意图；

图2是本发明实施例1的有限元模型示意图；

图3是本发明方法模型1和生死单元法模型2计算后的应力云图；

图4是本发明实施例1模型计算后，沿路线1的土体水平位移图；

图5是本发明实施例1模型计算后，沿路线2的土体竖向位移图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

实施例1

本实施例模拟一平面应变开挖情况，为了验证该方法的正确性，同时建立了对照模型，采用本方法的模型为模型1，采用生死单元法的模型为模型2，一种用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法，包括以下步骤：

S1,对土体建立三维有限元模型，所述土体部件的类型为欧拉体。三维有限元模型是以开挖区域中心横截面为对称面的对称模型，开挖区域宽度和高度均为8m，整个区域的尺寸为宽度和高度均为40m，模型在xz平面上的尺寸如图2所示，在y方向上，其长度根据情况设为特定值，该值一般不会对结果产生较大影响，因而为节约计算成本，可取一较小值，以此来模拟平面应变情况。

S2,对土体参数进行赋值，所述土体参数至少包括密度ρ、弹性模量E、泊松比μ、内摩擦角φ以及粘聚力c，其中内摩擦角φ和粘聚力c为抗剪强度参数，本实施例中土体参数取值为如下表所示：

表格1 土体参数

表中的土体参数为土体的初始参数，同时对抗剪强度参数c、φ设置场变量，场变量为1的c、φ对应一开始预设的值，场变量为2的c值设为0.1，φ值设为0。赋值后，建立欧拉材料截面，并指派欧拉截面于土体。

S3,分别对土体底部和侧面施加位移边界条件，在模型的对称面上，开挖区域的土体和未开挖区域土体的边界条件应分别依次施加，以便对开挖区域土体的边界条件进行调整。土体底部约束竖直方向的自由度，土体侧面约束水平方向自由度，土体上表面边界自由，所述边界条件的设置如图2所示，所述土体底部的位移边界条件为约束竖直方向的自由度，土体侧面的位移边界条件为约束水平方向自由度，土体上表面边界自由。

S4,对土体模型施加地应力的预定义场，并在地应力平衡分析步施加重力，以还原原位的应力状态。

S5,调整土体参数和边界条件来进行开挖模拟，应事先建立开挖区域节点集合，且开挖模拟在两个分析步中进行，本实施例开挖分四次进行，每次开挖2.5m，直至开挖至设计深度。，对每次开挖的土体分别建立节点集合，其中，由于分4次开挖，因此4处开挖区域土体在对称轴上的边界条件应分别施加。

S51，定义时间较短的分析步，在该分析步中，调整开挖区域土体参数和边界条件，将开挖区域土体的内摩擦角φ和粘聚力c参数降低至0或接近0，并撤销开挖区域土体位于对称面上的位移边界条件，具体做法如下：

①修改inp文件，在该分析步中添加语句，控制开挖区域的土体参数，使其c、φ值变为场变量2对应的值，即c值接近0，φ值为0，其语句的格式如下：

*field

Set-1(定义的开挖区域土体节点集合)，2

②将开挖区域在模型对称面上的位移边界条件撤销；

S52，定义时间较长的分析步作为开挖的第二个分析步，使开挖区域的土体在参数被改变、位移边界条件被撤销后有足够的时间流出。

在本实例中，每次开挖的第一个分析步的时间设置为1.0e-7，第二个分析步的时间设置为5。在第一次开挖的第一个分析步，通过修改inp文件，将第一层开挖土体的抗剪强度参数c、φ进行调整，同时撤销第一层开挖土体位于对称轴上的位移边界条件，使土体流出欧拉域而失效，从而达到开挖的目的。

S6,在监测断面选取节点建立示踪粒子父节点的节点集合，以便于获取监测断面上土体的位移。计算结束后进行后处理，获取应力云图与监测断面土体位移。

对位移的处理是通过示踪粒子技术来实现。其具体做法为：在监测断面选取节点建立示踪粒子父节点的节点集合，并在inp文件中写入对应语句来激活示踪粒子。其语句的格式如下：

*TRACER PARTICLE,TRACER SET＝tracerset(任意命名，不能与现有集合重复)

Set-tracerparticle(示踪粒子父节点集合)

对于示踪粒子的输出，其语句格式如下：

*OUTPUT,FIELD

*NODE OUTPUT,TRACER SET＝tracerset

U

图3为模型1和模型2计算后的应力云图，从图上可得知，两种方法得到的应力云图结果十分接近。另外，对两个模型在在图2中监测路线1和路线2上的土体位移也进行了对比，如图4和图5所示。结果表明，两种方法计算得出的土体位移曲线也十分接近。以上内容说明本专利提供的方法和传统的“生死单元法”的结果较为一致，该方法的正确性得到验证，解决了岩土工程中开挖和贯入模拟难以同时进行的问题，更加经济化、合理化的实现数值模拟，工作效率更高，也更符合实际需求，在岩土工程技术领域可以得到有效利用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1,对土体建立三维有限元模型，所述土体部件的类型为欧拉体；

S2,对土体参数进行赋值，赋值后，建立欧拉材料截面，并指派该欧拉截面于土体；

S3,分别对土体底部和侧面施加位移边界条件，所述土体底部的位移边界条件为约束竖直方向的自由度，土体侧面的位移边界条件为约束水平方向自由度，土体上表面边界自由；

S4,对土体模型施加地应力的预定义场，并在地应力平衡分析步施加重力，以还原原位的应力状态；

S5,调整土体参数和边界条件来进行开挖模拟；

S6,对模拟结果进行计算及后处理，得到应力云图和土体位移。

2.如权利要求1所述的一种用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法，其特征在于所述步骤S1中三维有限元模型是以开挖区域中心横截面为对称面的对称模型。

3.如权利要求1所述的一种用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法，其特征在于所述步骤S2中土体参数至少包括密度ρ、弹性模量E、泊松比μ、内摩擦角φ以及粘聚力c，针对内摩擦角φ和粘聚力c还设置了场变量，所述场变量将内摩擦角φ和粘聚力c在开挖步调整为0或接近于0。

4.如权利要求2所述的一种用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法，其特征在于所述步骤S3中的边界位移条件施加，在模型的对称面上，开挖区域的土体和未开挖区域土体的边界条件应分别依次施加。

5.如权利要求1所述的一种用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法，其特征在于所述步骤S5中，建立开挖区域节点集合，且开挖模拟在两个分析步中进行，具体包括：

S51，定义时间较短的分析步，在该分析步中，调整开挖区域土体参数和边界条件，将开挖区域土体的内摩擦角φ和粘聚力c参数降低至0或接近0，并撤销开挖区域土体位于对称面上的位移边界条件；

S52，定义时间较长的分析步作为开挖的第二个分析步，使开挖区域的土体在参数被改变、位移边界条件被撤销后有足够的时间流出。

6.如权利要求1所述的一种用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法，其特征在于所述步骤S6中土体位移的处理通过示踪粒子技术实现，在监测断面选取节点建立示踪粒子父节点的节点集合，通过对应指令语句激活示踪粒子，获得土体位移值。