CN112648017B - 一种用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法 - Google Patents

一种用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法，涉及隧道施工模拟领域，建立荷载结构平面计算模型和混凝土层塑性损伤本构模型，以非线性弹簧模拟，定义不同的拉压应力变形特性和不同接触区域的非线性接触属性，能够较真实的反映支护结构和围岩的相互作用，分析隧道荷载结构受围岩偏压应力后的变形和应力响应，为揭示隧道施工后支护结构的偏压变形破坏机理提供分析手段。

Description

一种用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法
技术领域
本公开涉及隧道施工模拟领域，特别涉及一种用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
岩土工程的复杂性决定了采用数值模拟方法的必要性和重要性。随着计算机技术的迅猛发展和各种数值计算方法的不断完善，数值模拟技术成为有效解决岩土工程复杂问题的重要手段，特别是有限元数值分析，已被公认为工程数值分析中最为有效的计算工具。在解决软岩工程大变形问题时，在经典力学的小变形假定基础上发展起来的力学理论虽然考虑了材料的物理非线性问题，但从几何场论角度看，仍然为小变形力学理论。当研究的大变形岩土体介质进入到塑性、粘塑性和流变性的阶段时，在整个力学过程中已经不服从叠加原理，而且，力学平衡关系与各种荷载特性、加载过程密切相关，因此，描述软岩工程的大变形力学行为，就必须采用非线性大变形力学的理论和方法。
发明人发现，针对隧道围岩大变形的数值仿真，一般难以模拟隧道的严重大变形(变形达到1米以上)，或者即使设置了大变形迭代计算，往往也难以收敛，导致得不到预期的效果，严重影响了围岩严重大变形的机理分析和施工对策研究。
发明内容
本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法，建立荷载结构平面计算模型和混凝土层塑性损伤本构模型，以非线性弹簧模拟，定义不同的拉压应力变形特性和不同接触区域的非线性接触属性，能够较真实的反映支护结构和围岩的相互作用，分析隧道荷载结构受围岩偏压应力后的变形和应力响应，为揭示隧道施工后支护结构的偏压变形破坏机理提供分析手段。
为了实现上述目的，采用以下技术方案：
一种用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法，包括以下步骤：
建立上台阶的荷载结构平面计算模型，沿荷载结构厚度方向划分单元网格；
对混凝土层建立混凝土塑性损伤本构模型，输入参数以模拟混凝土层所受应力及变形；
通过非线性弹簧单元沿法向对荷载结构施加拉压应力，将荷载结构弧形轨迹线的一端固定，另一端采用压弹簧模拟，其他位置采用具有拉压应力变形特性非线性弹簧单元；
荷载结构模拟加载，获取加载后的荷载结构的应力、变形及塑性区分布。
进一步地，建立平面计算模型后，沿厚度方向划分多层单元网格。
进一步地，所述输入参数包括压缩硬化参数、压缩损伤参数及拉伸强化参数，能够模拟混凝土在压缩和拉伸不同状态下的应力及变形。
进一步地，通过模拟混凝土的应力和变形，得到混凝土在压缩状态下的损伤程度。
进一步地，通过非线性弹簧模拟荷载结构与围岩的相互作用，沿荷载结构法向施加。
进一步地，所述非线性弹簧单元能够根据实验数据定义不同的拉压应力变形特性，同时能够在不同的荷载结构和围岩的接触区域定义不同的非线性接触属性。
进一步地，采用应力方式对荷载结构加载，应力荷载作用在荷载结构的外部边界。
进一步地，采用有限元非线性迭代算法计算，分析加载后的荷载结构。
进一步地，在划分单元网格时，采用CPE4R单元划分。
与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：
(1)建立荷载结构平面计算模型和混凝土层塑性损伤本构模型，以非线性弹簧模拟，定义不同的拉压应力变形特性和不同接触区域的非线性接触属性，能够较真实的反映支护结构和围岩的相互作用。
(2)分析隧道荷载结构受围岩偏压应力后的变形和应力响应，模拟软弱围岩隧道施工开挖后的大变形破坏机理和破坏程度，为揭示隧道施工后支护结构的偏压变形破坏机理提供分析手段。
(3)数值模拟中一端边界设置的压弹簧，能够显著的提高数值计算的收敛性，荷载结构和围岩的相互作用采用非线性弹簧模拟，定义了不同的拉压应力变形特性和不同接触区域的非线性接触属性，能够较真实的反映支护结构和围岩的相互作用。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1中初次衬砌偏压大变形计算模型示意图；
图2为本公开实施例1中初次衬砌变形矢量分布云图示意图；
图3为本公开实施例1中初次衬砌受偏压后的塑性屈服云图示意图；
图4是本公开实施例1中初次衬砌所受的最大主应力云图示意图；
图5是本公开实施例1中初次衬砌钢拱架的数值计算与实际变形对比示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中即使设置了大变形迭代计算，往往也难以收敛，导致得不到预期的效果，严重影响了围岩严重大变形的机理分析和施工对策研究；针对上述问题，本公开提出了一种用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法。
实施例1
本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图5所示，提出了一种用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法。
主要包括以下步骤：
建立上台阶的荷载结构平面计算模型，沿荷载结构厚度方向划分单元网格；
对混凝土层建立混凝土塑性损伤本构模型，输入参数以模拟混凝土层所受应力及变形；
通过非线性弹簧单元沿法向对荷载结构施加拉压应力，将荷载结构弧形轨迹线的一端固定，另一端采用压弹簧模拟，其他位置采用具有拉压应力变形特性非线性弹簧单元；
荷载结构模拟加载，获取加载后的荷载结构的应力、变形及塑性区分布。
对于上述模拟数值方法，能够用于隧道初次衬砌的严重偏压大变形的模拟，也能够用于类似结构包括三维数值模型、整体衬砌结构(初次衬砌、缓冲层及二次衬砌)的模拟。
在本实施例中，以初次衬砌荷载结构为例，对整个模拟方法的过程进行详细描述：
S1、计算分析模型：采用荷载结构模型，由于围岩大变形多发生在上台阶开挖支护后，因此，建立上台阶的初次衬砌荷载结构平面计算模型；
模型的内径3.7m，厚度取喷射混凝土厚度20cm，采用CPE4R单元划分，沿初次衬砌厚度方向划分四层单元网格，总共1040个单元，2724个节点。
可以理解的是，在其他的可能的实施方式中，可以将模型的内径适当增加或缩小，比如调整为3.6m或3.8m，根据目标隧道的规格进行对应的内径配置即可。
同样的，对于喷射混凝土的厚度，可以根据目标隧道的规格进行配置，可以对应增加或减少混凝土的厚度，比如调整为19.5cm厚或调整为20.5cm厚；
对于单元网格的划分，根据实际的喷射混凝土厚度进行配置，也可以根据需求划分为其他的层数、单元数目和节点数目，能够满足模拟需求即可。
S2、初次衬砌力学本构模型：采用C15混凝土材料，混凝土采用有限元软件ABAQUS的混凝土塑性损伤本构模型，通过输入衬砌混凝土的压缩硬化参数、压缩损伤参数及拉伸强化参数，能模拟衬砌混凝土在压缩和拉伸不同状态下的应力及变形，同时可得到混凝土在压缩状态下的损伤程度，其主要材料物理力学参数如下：
表1.1 C15混凝土力学参数
Figure GDA0003356009880000061
表1.2压缩硬化参数
Figure GDA0003356009880000062
表1.3拉伸强化参数
Figure GDA0003356009880000063
Figure GDA0003356009880000071
表1.4压缩损伤参数
Figure GDA0003356009880000072
可以理解的是，对于混凝土的材料也可以选用其他型号，与实际隧道施工时采用的混凝土型号对应一致即可，尽可能贴合实际的隧道施工场景；
也可以采用其他的有限元软件建立塑性损伤本构模型，在本实施例中，优选为采用有限元软件ABAQUS构建。
S3、边界条件模拟：初次衬砌和围岩的相互作用采用非线性弹簧模拟，初次衬砌法向施加，采用SPRINGA单元。其中：初次衬砌右下端部采用压弹簧模拟、左下端采用固定位移约束，其他均采用具有拉压力学特性的非线性弹簧模拟。非线性弹簧单元可根据实验数据定义不同的拉压应力变形特性，同时可在不同的衬砌和围岩接触区域定义不同的非线性接触属性。
数值模拟中一端边界设置的压弹簧，能够显著的提高数值计算的收敛性；
荷载结构和围岩的相互作用采用非线性弹簧模拟，定义了不同的拉压应力变形特性和不同接触区域的非线性接触属性，能够较真实的反映支护结构和围岩的相互作用。
非线性弹簧拉压力学参数
Figure GDA0003356009880000081
S4、计算分析：采用有限元非线性迭代算法计算，大变形开关NLGEOM打开，采用应力方式对边界加载，由于是采用荷载结构法，应力荷载作用在初次衬砌的外部边界，应力值为2.0MPa，计算分析加载后的初次衬砌的应力、变形和塑性区分布。
建立荷载结构平面计算模型和混凝土层塑性损伤本构模型，以非线性弹簧模拟，定义不同的拉压应力变形特性和不同接触区域的非线性接触属性，能够较真实的反映支护结构和围岩的相互作用。
在ABAQUS中必须用真实应力和真实应变定义塑性：
真实应变：
Figure GDA0003356009880000091
Figure GDA0003356009880000092
其中是l当前长度，l0是原始长度，ε为真实应变或对数应变。
与真实应变对应的应力是真实应力，定义为：
Figure GDA0003356009880000093
其中F是材料承受的力，A是当前面积。承受有限变形的延性材料的真实应力—真实应变曲线对于拉伸和压缩是一致的。
大多数实验数据常常是用名义应力和名义应变的值给出的。这时，必须应用下列公式把塑性材料的数据从名义应力/应变的值转换为真实应力/应变的值。
先把名义应变表达为如下公式：
Figure GDA0003356009880000094
表达式两边同时加上1，并取自然对数可以得到真实应变和名义应变之间的关系为：
ε＝ln(1+εnom)
考虑塑性变形的不可压缩性，并假定弹性变形也是不可压缩的，由体积不变得：
l0A0＝lA
当前面积和原面积的关系为：
Figure GDA0003356009880000095
将A的定义代入到真实应力的定义式中，得到：
Figure GDA0003356009880000096
其中
Figure GDA0003356009880000101
也可以写为1+εnom，代入上式便得到真实应力和名义应力、名义应变之间的关系：
σ＝σnom(1+εnom)
如图2所示初次衬砌变形矢量分布云图。图中右侧显示初次衬砌发生严重的侧向变形，最大变形1.13m。
如图3所示初次衬砌受偏压后的塑性屈服云图，计算结果显示：右侧边墙已发生严重侧向塑性屈服，最大等效塑性应变为0.64。
如图4所示初次衬砌所受的最大主应力云图，计算结果显示：右侧边墙已产生较大的拉应力，最大拉应力为3.42Mpa。
如图5所示初次衬砌钢拱架的数值计算与实际变形对比。图中显示，变形趋势和实际发生的较为吻合。
分析隧道荷载结构受围岩偏压应力后的变形和应力响应，模拟软弱围岩隧道施工开挖后的大变形破坏机理和破坏程度，为揭示隧道施工后支护结构的偏压变形破坏机理提供分析手段。
在其他的实施方式中，对于三维数值模型、整体衬砌结构，其模拟方法与上述初次衬砌的模拟方法类似，根据需求进行配置即可。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法，其特征在于，包括以下步骤：建立上台阶的荷载结构平面计算模型，沿荷载结构厚度方向划分单元网格；
对混凝土层建立混凝土塑形损伤本构模型，输入参数以模拟混凝土层所受应力及变形；
通过非线性弹簧单元沿法向对荷载结构施加拉压应力，将荷载结构弧形轨迹线的一端固定，另一端采用压弹簧模拟，其他位置采用具有拉压应力变形特性非线性弹簧单元；通过非线性弹簧模拟荷载结构与围岩的相互作用，沿荷载结构法向施加；所述非线性弹簧单元能够根据实验数据定义不同的拉压应力变形特性，同时能够在不同的荷载结构和围岩的接触区域定义不同的非线性接触属性；
荷载结构模拟加载，获取加载后的荷载结构的应力、变形及塑性区分布；
建立平面计算模型后，沿厚度方向划分多层单元网格。
2.如权利要求1所述的用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法，其特征在于，采用荷载结构模型，进行上下二台阶开挖。
3.如权利要求1所述的用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法，其特征在于，所述输入参数包括压缩硬化参数、压缩损伤参数及拉伸强化参数，能够模拟混凝土在压缩和拉伸不同状态下的应力及变形。
4.如权利要求3所述的用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法，其特征在于，通过模拟混凝土的应力和变形，得到混凝土在压缩状态下的损伤程度。
5.如权利要求1所述的用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法，其特征在于，采用应力方式对荷载结构加载，应力荷载作用在荷载结构的外部边界。
6.如权利要求5所述的用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法，其特征在于，采用有限元非线性迭代算法计算，分析加载后的荷载结构。
7.如权利要求1所述的用于模拟隧道严重偏压大变形的数值方法，其特征在于，
在划分单元网格时，采用CPE4R单元划分。
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