基于ABAQUS巖土工程中地應(yīng)力平衡的探討

摘要：平衡地應(yīng)力是巖土工程計(jì)算分析中十分重要的部分，在巖土施工前保證地表位移近似為零，是數(shù)值模擬的首要前提。利用ABAQUS對(duì)某基坑開(kāi)挖前的土體進(jìn)行地應(yīng)力平衡，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土體的物理性質(zhì)指標(biāo)，將地應(yīng)力平衡前后土體的應(yīng)力和位移進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)行地應(yīng)力平衡后土體的位移數(shù)量級(jí)小于10-6，并且任意深度的豎向應(yīng)力值等于該處深度與土體密度的乘積。

關(guān)鍵詞：巖土工程；ABAQUS；地應(yīng)力；土體位移

中圖分類號(hào)：TU431文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－6835（2014）08－0061－02

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，越來(lái)越多的有限元軟件被應(yīng)用于建筑、材料、機(jī)械、航天等領(lǐng)域。這些有限元軟件的出現(xiàn)對(duì)巖土工程來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的推動(dòng)，其中，作為最先進(jìn)的大型通用有限元分析軟件之一的ABAQUS被廣泛應(yīng)用。ABAQUS軟件全面滿足了靜力許可，可以模擬多種不同模型的本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合有限元分析方法，可以使數(shù)值模擬不受幾何形狀的不規(guī)則、邊界條件的多樣性和材料部均勻性的限制，能夠更加準(zhǔn)確地分析應(yīng)力和應(yīng)變的過(guò)程，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作提供有效的依據(jù)。

1本構(gòu)模型

土體是天然的、復(fù)雜的多孔材料，在受荷之后會(huì)表現(xiàn)出明顯的壓縮性、非線性、流變性、各向異性、剪切性等特征。為了更好地描述土體的真實(shí)力學(xué)——變形特性，建立其應(yīng)力應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系，在各種試驗(yàn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出一種數(shù)學(xué)模型，即土體的本構(gòu)模型。世界各國(guó)學(xué)者提出過(guò)上百種不同的土體本構(gòu)模型，其中，摩爾庫(kù)侖模型、擴(kuò)展D-P模型和修正劍橋模型的應(yīng)用最廣。

1.1摩爾庫(kù)侖模型

摩爾庫(kù)侖的屈服準(zhǔn)則假定作用在某一點(diǎn)的剪應(yīng)力等于該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)發(fā)生破壞，剪切強(qiáng)度與作用在該面的正應(yīng)力呈線性關(guān)系。

1.2擴(kuò)展D-P模型

擴(kuò)展D-P模型允許材料各向同性硬化或軟化，考慮了材料的剪脹性。擴(kuò)展D-P模型的屈服準(zhǔn)則主要取決于屈服面在子午面的形狀。其中，屈服面可以為線性、雙曲線和一般指數(shù)函數(shù)形式。

1.3修正劍橋模型

修正劍橋模型是一個(gè)有代表性的土的彈塑性模型，它主要是在土體固結(jié)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。修正劍橋模型的屈服面在p-q子午線平面上的投影是一個(gè)橢圓。

2地應(yīng)力平衡

2.1建立模型

針對(duì)開(kāi)挖基坑處的土質(zhì)、地形建立有限元模型，由于未開(kāi)挖前基坑位置是軸對(duì)稱的，因此在建模過(guò)程中，為了減少計(jì)算量，采用軸對(duì)稱殼體單元進(jìn)行分析模擬，模擬的土體分層并且賦予土體表1中所示屬性。設(shè)置分析步時(shí)選擇“Geostatic”分析步，建立荷載時(shí)在土體上施加重力荷載。劃分網(wǎng)格時(shí)選擇“CAX4R”，采用掃掠式劃分網(wǎng)格，然后提交分析。在提交分析之前，需要在命令行中輸入mdb.models［model-1］.setValues（noPartsInputFile=ON），目的是為了使輸出文件完整。

2.2地應(yīng)力平衡

對(duì)建立的模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡。平衡前將土體應(yīng)力的“odb”文件作為初始應(yīng)力施加在模型上，以達(dá)到平衡地應(yīng)力的效果。為了得到完整的平衡土體應(yīng)力，在第二次運(yùn)行之前，需要在關(guān)鍵詞中的“step”前輸入*initial conditions，type=stress，input= tu.csv，目的是讓?xiě)?yīng)力預(yù)先施加在土體之上。平衡前后土體的應(yīng)力和位移見(jiàn)圖1、圖2、圖3和圖4.

圖1地應(yīng)力平衡前土體應(yīng)力云圖圖2地應(yīng)力平衡后土體應(yīng)力云圖

圖3地應(yīng)力平衡前土體的位移云圖圖4地應(yīng)力平衡后土體的位移云圖

從以上應(yīng)力云圖中可以看出，圖1和圖2在地應(yīng)力平衡前后土體內(nèi)的應(yīng)力最大值均約為2.2×105，最小值均約為4.5×104，可見(jiàn)應(yīng)力云圖基本沒(méi)有變化，地應(yīng)力平衡前后土體的應(yīng)力是基本保持不變的。圖3和圖4中，土體在平衡前位移的最大值約為1.2×10-1，在地應(yīng)力平衡之后，土體的最大位移約為8×10-5，可見(jiàn)平衡前后土體的位移云圖發(fā)生了明顯的改變，地應(yīng)力平衡的效果十分明顯。

3結(jié)束語(yǔ)

由ABAQUS模擬分析的土體地應(yīng)力平衡效果十分明顯，土體中的應(yīng)力基本保持不變，土的受力特性沒(méi)有受到擾動(dòng)。同時(shí)在平衡地應(yīng)力之后，土體的豎向位移降低在10-5個(gè)數(shù)量級(jí)上，大大增加了數(shù)值模擬和實(shí)際情況的真實(shí)度。在地應(yīng)力平衡之后再進(jìn)行基坑開(kāi)挖的模擬，使模擬結(jié)果更加真實(shí)有效，可為實(shí)際工程提供可靠的數(shù)值分析。

參考文獻(xiàn)

［1］賈坤，蔣樹(shù)屏，李建軍.無(wú)限單元在隧道工程數(shù)值分析中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2007（07）.

［2］趙常紅，馬云峰.島狀凍土地區(qū)鉆孔灌注樁成樁質(zhì)量分析［J］.低溫建筑技術(shù)，2011（12）.

［3］馬云峰，王慶波.利用聲波透射法對(duì)島狀凍土地區(qū)鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量探討［J］.中外企業(yè)家，2012（04）.

［4］地礦部勘察技術(shù)局.JGJ/T 93—95 基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.

［5］中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ 106—03 建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［6］李廣信.高等土力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004 .

［7］曾靜，王靖濤.土的本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值建模方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002（S2）.

（下轉(zhuǎn)第64頁(yè)）

摘要：平衡地應(yīng)力是巖土工程計(jì)算分析中十分重要的部分，在巖土施工前保證地表位移近似為零，是數(shù)值模擬的首要前提。利用ABAQUS對(duì)某基坑開(kāi)挖前的土體進(jìn)行地應(yīng)力平衡，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土體的物理性質(zhì)指標(biāo)，將地應(yīng)力平衡前后土體的應(yīng)力和位移進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)行地應(yīng)力平衡后土體的位移數(shù)量級(jí)小于10-6，并且任意深度的豎向應(yīng)力值等于該處深度與土體密度的乘積。

關(guān)鍵詞：巖土工程；ABAQUS；地應(yīng)力；土體位移

中圖分類號(hào)：TU431文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－6835（2014）08－0061－02

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，越來(lái)越多的有限元軟件被應(yīng)用于建筑、材料、機(jī)械、航天等領(lǐng)域。這些有限元軟件的出現(xiàn)對(duì)巖土工程來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的推動(dòng)，其中，作為最先進(jìn)的大型通用有限元分析軟件之一的ABAQUS被廣泛應(yīng)用。ABAQUS軟件全面滿足了靜力許可，可以模擬多種不同模型的本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合有限元分析方法，可以使數(shù)值模擬不受幾何形狀的不規(guī)則、邊界條件的多樣性和材料部均勻性的限制，能夠更加準(zhǔn)確地分析應(yīng)力和應(yīng)變的過(guò)程，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作提供有效的依據(jù)。

1本構(gòu)模型

土體是天然的、復(fù)雜的多孔材料，在受荷之后會(huì)表現(xiàn)出明顯的壓縮性、非線性、流變性、各向異性、剪切性等特征。為了更好地描述土體的真實(shí)力學(xué)——變形特性，建立其應(yīng)力應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系，在各種試驗(yàn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出一種數(shù)學(xué)模型，即土體的本構(gòu)模型。世界各國(guó)學(xué)者提出過(guò)上百種不同的土體本構(gòu)模型，其中，摩爾庫(kù)侖模型、擴(kuò)展D-P模型和修正劍橋模型的應(yīng)用最廣。

1.1摩爾庫(kù)侖模型

摩爾庫(kù)侖的屈服準(zhǔn)則假定作用在某一點(diǎn)的剪應(yīng)力等于該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)發(fā)生破壞，剪切強(qiáng)度與作用在該面的正應(yīng)力呈線性關(guān)系。

1.2擴(kuò)展D-P模型

擴(kuò)展D-P模型允許材料各向同性硬化或軟化，考慮了材料的剪脹性。擴(kuò)展D-P模型的屈服準(zhǔn)則主要取決于屈服面在子午面的形狀。其中，屈服面可以為線性、雙曲線和一般指數(shù)函數(shù)形式。

1.3修正劍橋模型

修正劍橋模型是一個(gè)有代表性的土的彈塑性模型，它主要是在土體固結(jié)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。修正劍橋模型的屈服面在p-q子午線平面上的投影是一個(gè)橢圓。

2地應(yīng)力平衡

2.1建立模型

針對(duì)開(kāi)挖基坑處的土質(zhì)、地形建立有限元模型，由于未開(kāi)挖前基坑位置是軸對(duì)稱的，因此在建模過(guò)程中，為了減少計(jì)算量，采用軸對(duì)稱殼體單元進(jìn)行分析模擬，模擬的土體分層并且賦予土體表1中所示屬性。設(shè)置分析步時(shí)選擇“Geostatic”分析步，建立荷載時(shí)在土體上施加重力荷載。劃分網(wǎng)格時(shí)選擇“CAX4R”，采用掃掠式劃分網(wǎng)格，然后提交分析。在提交分析之前，需要在命令行中輸入mdb.models［model-1］.setValues（noPartsInputFile=ON），目的是為了使輸出文件完整。

2.2地應(yīng)力平衡

對(duì)建立的模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡。平衡前將土體應(yīng)力的“odb”文件作為初始應(yīng)力施加在模型上，以達(dá)到平衡地應(yīng)力的效果。為了得到完整的平衡土體應(yīng)力，在第二次運(yùn)行之前，需要在關(guān)鍵詞中的“step”前輸入*initial conditions，type=stress，input= tu.csv，目的是讓?xiě)?yīng)力預(yù)先施加在土體之上。平衡前后土體的應(yīng)力和位移見(jiàn)圖1、圖2、圖3和圖4.

圖1地應(yīng)力平衡前土體應(yīng)力云圖圖2地應(yīng)力平衡后土體應(yīng)力云圖

圖3地應(yīng)力平衡前土體的位移云圖圖4地應(yīng)力平衡后土體的位移云圖

從以上應(yīng)力云圖中可以看出，圖1和圖2在地應(yīng)力平衡前后土體內(nèi)的應(yīng)力最大值均約為2.2×105，最小值均約為4.5×104，可見(jiàn)應(yīng)力云圖基本沒(méi)有變化，地應(yīng)力平衡前后土體的應(yīng)力是基本保持不變的。圖3和圖4中，土體在平衡前位移的最大值約為1.2×10-1，在地應(yīng)力平衡之后，土體的最大位移約為8×10-5，可見(jiàn)平衡前后土體的位移云圖發(fā)生了明顯的改變，地應(yīng)力平衡的效果十分明顯。

3結(jié)束語(yǔ)

由ABAQUS模擬分析的土體地應(yīng)力平衡效果十分明顯，土體中的應(yīng)力基本保持不變，土的受力特性沒(méi)有受到擾動(dòng)。同時(shí)在平衡地應(yīng)力之后，土體的豎向位移降低在10-5個(gè)數(shù)量級(jí)上，大大增加了數(shù)值模擬和實(shí)際情況的真實(shí)度。在地應(yīng)力平衡之后再進(jìn)行基坑開(kāi)挖的模擬，使模擬結(jié)果更加真實(shí)有效，可為實(shí)際工程提供可靠的數(shù)值分析。

參考文獻(xiàn)

［1］賈坤，蔣樹(shù)屏，李建軍.無(wú)限單元在隧道工程數(shù)值分析中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2007（07）.

［2］趙常紅，馬云峰.島狀凍土地區(qū)鉆孔灌注樁成樁質(zhì)量分析［J］.低溫建筑技術(shù)，2011（12）.

［3］馬云峰，王慶波.利用聲波透射法對(duì)島狀凍土地區(qū)鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量探討［J］.中外企業(yè)家，2012（04）.

［4］地礦部勘察技術(shù)局.JGJ/T 93—95 基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.

［5］中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ 106—03 建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［6］李廣信.高等土力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004 .

［7］曾靜，王靖濤.土的本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值建模方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002（S2）.

（下轉(zhuǎn)第64頁(yè)）

摘要：平衡地應(yīng)力是巖土工程計(jì)算分析中十分重要的部分，在巖土施工前保證地表位移近似為零，是數(shù)值模擬的首要前提。利用ABAQUS對(duì)某基坑開(kāi)挖前的土體進(jìn)行地應(yīng)力平衡，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土體的物理性質(zhì)指標(biāo)，將地應(yīng)力平衡前后土體的應(yīng)力和位移進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)行地應(yīng)力平衡后土體的位移數(shù)量級(jí)小于10-6，并且任意深度的豎向應(yīng)力值等于該處深度與土體密度的乘積。

關(guān)鍵詞：巖土工程；ABAQUS；地應(yīng)力；土體位移

中圖分類號(hào)：TU431文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－6835（2014）08－0061－02

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，越來(lái)越多的有限元軟件被應(yīng)用于建筑、材料、機(jī)械、航天等領(lǐng)域。這些有限元軟件的出現(xiàn)對(duì)巖土工程來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的推動(dòng)，其中，作為最先進(jìn)的大型通用有限元分析軟件之一的ABAQUS被廣泛應(yīng)用。ABAQUS軟件全面滿足了靜力許可，可以模擬多種不同模型的本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合有限元分析方法，可以使數(shù)值模擬不受幾何形狀的不規(guī)則、邊界條件的多樣性和材料部均勻性的限制，能夠更加準(zhǔn)確地分析應(yīng)力和應(yīng)變的過(guò)程，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作提供有效的依據(jù)。

1本構(gòu)模型

土體是天然的、復(fù)雜的多孔材料，在受荷之后會(huì)表現(xiàn)出明顯的壓縮性、非線性、流變性、各向異性、剪切性等特征。為了更好地描述土體的真實(shí)力學(xué)——變形特性，建立其應(yīng)力應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系，在各種試驗(yàn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出一種數(shù)學(xué)模型，即土體的本構(gòu)模型。世界各國(guó)學(xué)者提出過(guò)上百種不同的土體本構(gòu)模型，其中，摩爾庫(kù)侖模型、擴(kuò)展D-P模型和修正劍橋模型的應(yīng)用最廣。

1.1摩爾庫(kù)侖模型

摩爾庫(kù)侖的屈服準(zhǔn)則假定作用在某一點(diǎn)的剪應(yīng)力等于該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)發(fā)生破壞，剪切強(qiáng)度與作用在該面的正應(yīng)力呈線性關(guān)系。

1.2擴(kuò)展D-P模型

擴(kuò)展D-P模型允許材料各向同性硬化或軟化，考慮了材料的剪脹性。擴(kuò)展D-P模型的屈服準(zhǔn)則主要取決于屈服面在子午面的形狀。其中，屈服面可以為線性、雙曲線和一般指數(shù)函數(shù)形式。

1.3修正劍橋模型

修正劍橋模型是一個(gè)有代表性的土的彈塑性模型，它主要是在土體固結(jié)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。修正劍橋模型的屈服面在p-q子午線平面上的投影是一個(gè)橢圓。

2地應(yīng)力平衡

2.1建立模型

針對(duì)開(kāi)挖基坑處的土質(zhì)、地形建立有限元模型，由于未開(kāi)挖前基坑位置是軸對(duì)稱的，因此在建模過(guò)程中，為了減少計(jì)算量，采用軸對(duì)稱殼體單元進(jìn)行分析模擬，模擬的土體分層并且賦予土體表1中所示屬性。設(shè)置分析步時(shí)選擇“Geostatic”分析步，建立荷載時(shí)在土體上施加重力荷載。劃分網(wǎng)格時(shí)選擇“CAX4R”，采用掃掠式劃分網(wǎng)格，然后提交分析。在提交分析之前，需要在命令行中輸入mdb.models［model-1］.setValues（noPartsInputFile=ON），目的是為了使輸出文件完整。

2.2地應(yīng)力平衡

對(duì)建立的模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡。平衡前將土體應(yīng)力的“odb”文件作為初始應(yīng)力施加在模型上，以達(dá)到平衡地應(yīng)力的效果。為了得到完整的平衡土體應(yīng)力，在第二次運(yùn)行之前，需要在關(guān)鍵詞中的“step”前輸入*initial conditions，type=stress，input= tu.csv，目的是讓?xiě)?yīng)力預(yù)先施加在土體之上。平衡前后土體的應(yīng)力和位移見(jiàn)圖1、圖2、圖3和圖4.

圖1地應(yīng)力平衡前土體應(yīng)力云圖圖2地應(yīng)力平衡后土體應(yīng)力云圖

圖3地應(yīng)力平衡前土體的位移云圖圖4地應(yīng)力平衡后土體的位移云圖

從以上應(yīng)力云圖中可以看出，圖1和圖2在地應(yīng)力平衡前后土體內(nèi)的應(yīng)力最大值均約為2.2×105，最小值均約為4.5×104，可見(jiàn)應(yīng)力云圖基本沒(méi)有變化，地應(yīng)力平衡前后土體的應(yīng)力是基本保持不變的。圖3和圖4中，土體在平衡前位移的最大值約為1.2×10-1，在地應(yīng)力平衡之后，土體的最大位移約為8×10-5，可見(jiàn)平衡前后土體的位移云圖發(fā)生了明顯的改變，地應(yīng)力平衡的效果十分明顯。

3結(jié)束語(yǔ)

由ABAQUS模擬分析的土體地應(yīng)力平衡效果十分明顯，土體中的應(yīng)力基本保持不變，土的受力特性沒(méi)有受到擾動(dòng)。同時(shí)在平衡地應(yīng)力之后，土體的豎向位移降低在10-5個(gè)數(shù)量級(jí)上，大大增加了數(shù)值模擬和實(shí)際情況的真實(shí)度。在地應(yīng)力平衡之后再進(jìn)行基坑開(kāi)挖的模擬，使模擬結(jié)果更加真實(shí)有效，可為實(shí)際工程提供可靠的數(shù)值分析。

參考文獻(xiàn)

［1］賈坤，蔣樹(shù)屏，李建軍.無(wú)限單元在隧道工程數(shù)值分析中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2007（07）.

［2］趙常紅，馬云峰.島狀凍土地區(qū)鉆孔灌注樁成樁質(zhì)量分析［J］.低溫建筑技術(shù)，2011（12）.

［3］馬云峰，王慶波.利用聲波透射法對(duì)島狀凍土地區(qū)鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量探討［J］.中外企業(yè)家，2012（04）.

［4］地礦部勘察技術(shù)局.JGJ/T 93—95 基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.

［5］中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ 106—03 建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［6］李廣信.高等土力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004 .

［7］曾靜，王靖濤.土的本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值建模方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002（S2）.

（下轉(zhuǎn)第64頁(yè)）