地應力平衡
關注創建者：H_1630 創建時間：2018-06-04
地應力平衡的視頻教程
ABAQUS地應力平衡方法
介紹了： 1.地應力平衡的目的； 2.地應力平衡的幾種方法及其適用場景； 3.地應力平衡的計算流程； 4.地應力平衡降低位移最大值的方法； 5.地應力平衡最大位移允許值的含義與用處； 6.地應力平衡收斂方法； 7.地應力平衡合理性檢查
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重復導入odb應力場平衡地應力以及平衡效果的檢查？
如何通過重復導入odb應力場平衡地應力呢？ 通過本節課程你應該掌握 初始地應力平衡之后豎向位移過大？ 剛開始計算就不收斂？ 我怎樣才能知道我平衡的結果是對的呢？應力 位移要達到什么要求才算是平衡成功呢？
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ABAQUS地應力平衡詳細解析與實戰
詳細地對ABAQUS地應力平衡方法進行解析，建議新手先看總結，再看方法，最后再看一次總結。 1.自動平衡法； 2.導入ODB法（2.是3.的升級版）； 3.提取ODB結果，修改inp關鍵字法； 4.坐標法； 并且針對摩爾庫倫帶洞土體的實例進行詳細的解析。 多個實戰視頻可以幫您更好的進行地應力平衡。
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地應力平衡的實例教程
進行地應力平衡的原因如下：我們建立的幾何模型一般都和工程實際情況一致，例如邊坡的幾何模型與邊坡實際尺寸相一致。但是由于邊坡的沉降和徐變作用，可以想像到，現在的邊坡應該是由一個體積更大的原始邊坡在很久以前由于受到重力作用和邊界約束條件，逐漸形成了現今的邊坡形態。但是對于那個原始的邊坡形態，我們不得而知。假如能準確知曉，我們就能夠建立原始邊坡的幾何模型，接著對邊坡施加重力和邊界條件，受力后邊坡形態應該和現在的邊坡相一致，其內力就是初始應力場（地應力），這樣就不用專門施加地應力了。但現實情況是我們不能知曉原始邊坡的形態。現在的邊坡幾何模型就是其實際形態，受力之后將會變成一個與現狀不一致的邊坡，這不符合現在的實際情況。如果我們計算出現今邊坡的內力，并將其作為邊坡的初始應力場，再去和外力平衡，這樣我們建立的模型就和現實邊坡情況相一致了。
對于涉及開挖、回填的動態巖土工程問題，地應力平衡是正確模擬施工過程的前提條件。初始應力的加載必須滿足地應力平衡，而地應力平衡就是為了使地基僅存在初始應力，而不存在初始應變。當地基自重是產生地應力場的主要因素時，重力是外力，初始應力場是內力，將提取出的內力施加于模型后再施加重力，此時內力和外力平衡，該狀態就是工程建設的初始狀態。
在ANSYS中的地應力該怎么平衡呢？
初應力(Initial Stress)可以指定為一種“荷載”進行施加,但僅在靜態分析和全瞬態分析中使用，可以用于線性分析或非線性分析。
展開 對于涉及開挖、填充的動態巖土工程問題，初始應力場是正確模擬其施工過程的先決條件。初始應力的加載必須滿足地應力平衡，而地應力平衡其實就是為了使數值模擬獲得一個存在初始應力，而無初始應變的狀態。當考慮自重場是產生地應力場的主要因素時，顯然重力是外力，初始應力場是內力，將提取出的內力施加于數值模擬后再施加重力，是內力和外力平衡，從而獲得較精確的沒有受到人為因素干擾情況下的數值模型的初始狀態。
在 ABAQUS 有限元軟件中，提供了 5 種定應力平衡方法，這里我就比較常用的，使用比較普遍的一種進行講解。用的例子還是上節ANSYS的例子。
接下來，小編就一個簡單的算例就行地應力平衡。在一個均質的地基上有一根立柱。
柱子的尺寸為1m×2m×10m，密度2400kg/m3，彈性模量2.8E8Pa（這里我為了方便觀察規律，降低這個彈性模量），泊松比0.167；均質地基的尺寸為30m×30m×15m，密度為2000kg/m3，彈性模量3E7Pa，泊松比0.3。模型見圖1.
1、將模型導入ABAQUS中。
2、創建靜力荷載步
3、殺死柱子單元
4、施加約束（四周施加法向連桿約束，底部施加全約束）
5、施加自重荷載
6、提交計算
7、查看后處理結果
豎向位移
豎向應力
8、應力場輸出
9、在工作目中找到stress_out.rpt文件
10、經過格式的轉化（文件的后面不要有空行）
11、在之前的inp文件中Step-1前面加上*Initial conditions,Type=stress,Input=stress_in.rpt這句命令，記得一定要把stress_in.rpt放在工作目錄里面。
展開 真實地知道現狀邊坡的內力是很難的，我們采取的辦法是，用我們所建立的幾何模型施加和實際模型一致的重力和邊界條件進行計算，得到變形后或變得更小或與現狀邊坡不完全一致的邊坡內力近似的作為現狀邊坡的內力，并重新將其施加于與現狀邊坡一致的幾何模型，再施加重力（當然邊界條件也應基本一致）以平衡，這樣才算建立了與現狀模型基本一致的模型，其下的計算才成為可能。這就是所謂“地應力平衡”。
II. 什么工況下，施加初始地應力？
a. 隧道開挖、填充的動態巖土工程問題
b. 邊坡問題
c. 多層土仿真
d. 樁土地基
e. 地殼 巖體模擬
f. 地震
III. 什么時間點施加地應力？
當我們建任何東西或挖任何東西之前, 地表的位移都是零, 但是土體的應力卻存在, 這種無位移但有應力的時間點叫地應力平衡。那么正確的時間點應該是什么呢, 就是不管土原來是什么樣的, 高山, 河流, 丘陵, 平原都可以, 關鍵是在我們對它做任何擾動之前。譬如，樁土作用如何平衡? 這個問題首先就是錯的, 因為地應力平衡的時候是不能有樁的；一旦有樁就跨過了地應力平衡這個時間點, 數值模擬要接近實際情況, 不能想當然, 所以正確的選擇時間點是地應力平衡計算中最關鍵的。
IV. 施加過程中及之后需要的注意事項？
比如，初始地應力場平衡一般在表面水平的情況下僅僅和密度相關，密度一樣的話平衡的結果很好，別的參數改變之后經過計算，差別很小。表面不水平的情況則最好通過文件導入初應力的情況進行平衡。一般來講，表面不平的時候有很多因素造成誤差很大。比如，不同施加方法，其收斂性可能不同。
未完待續……之后附上實例及方法
原創作品，如有所需，注明出處
展開 注意：只有采用彈塑性本構模型時需要地應力平衡，彈性本構不需要地應力平衡！
第一部分 地應力平衡方法簡介
地應力平衡主要有五種方法：
（1）自動平衡：第一步創建分析步geostatic ，這種方法注意只能在第一步只能有土和重力的情況下能使用，有其他部件或者接觸時計算不能收斂，效果是最好的，方便簡單！
（2）*initial conditions,type=stress,geostatic
該方法需給出不同材料區域的最高點和最低點的自重應力及其相應坐標。所采用的幾何模型一般較規則,表面大致水平,地應力平衡的好壞一般只受巖體密度的影響,無論采用彈性或彈塑性本構模型都能很好的達到平衡,可以不必局限于僅受泊松比的影響,能夠通過考慮水平兩個方向的側壓力系數值來施加初始應力場。計算速度快,收斂性好。缺點就是不能夠很好平衡具有起伏表面的幾何模型,需知道平整后模型的上覆巖體自重。
高版本在CAE里也能操作
用計算器算出每個分界面上的應力和坐標對應填入，也比較方便 不需要修改關鍵字
（3）*initial conditions,type=stress,geostatic,user
導入ODB里的方法，也比較簡單，高版本可在截面上操作，不需要修改關鍵字
你放入ODB后，填入第一步不需要填名稱 就是1 ，增量步就是你第一步計算的最后一個增量步
（4）*initial conditions,type=stress,input=FileName.csv(或inp)
該方法中的文件FILENAME.INP獲取方法為:首先將已知邊界條件施加到模型上進行正演計算,然后一般是將計算得到的每個單元的應力外插到形心點處并導出6個應力分量(也可以導出積分點處的應力分量,視要求平衡的精確程度而定)。
展開 11.修改關鍵字，為模型定義初始應力場
1，手動添加關鍵字法
將原來的CAE模型另存為soil2.cae，選擇菜單Model→Edit keywords,在*STEP語句之前添加以下語句：
*initial conditions,type=stress,input=soil.csv
修改前
修改后
12. 重新建立Job,提交分析
注意， 初始應力場文件soil.csv應該和新建的INP文件位于同一個路徑下。
看地應力平衡的結果
注意， 初始應力場文件soil.csv應該和新建的INP文件位于同一個路徑下。
可觀察到，初始狀態下（0時刻）， 模型就具有了一個初始應力場，這個應力場與上一個未加初始地應力的分析步結束時刻的應力場完全相同。
上面就已經完成了初始地應力平衡 ，接下來可以添加其他分析步（例如普通的靜力分析步Static，General），定義接觸和實際的荷載，并去掉前面第一步中臨時邊界條件。
Remark：也可用UltraEdit 處理CSV文件，而不選用EXCEL。唯一區別是，EXCEl有行數限制，當n>65536時，不能載入全部文件內容。
方法II
同樣分兩個步驟：
1.自動地應力平衡。
2.讀取ODB文件結果定義初始應力。
同樣形式如下：
精力有限，不想詳述~
總結
初始地應力平衡，在巖土工程等中，非常重要與關鍵，需給予足夠重視。當然，本教程足夠簡單，更深的問題未涉及~感興趣的，請查閱相關資料！
(建議有個草稿箱，剛剛出錯，內容全沒了……）
小哥原創，轉載請注明出處 本人郵箱 xingwjin@sina.com
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地應力平衡的最新內容
該案例為多層土體的雙線盾構隧道開挖，考慮了掌子面推進力和注漿壓力，模型為完整模型，不存在跑不通，有ODB結果，購買后支持售后講解，包括如何實現注漿硬化階段，地應力平衡的意義等。
附件包含雙線盾構隧道開挖的數值模擬模型以及運算結果ODB，購買后可聯系博主進行答疑。
abaqus 抗拔樁拉拔承載實驗10個月前
抗拔樁拉拔試驗，最終能得到大變形下的拉拔，具體拉拔力和實驗如下：（進行了地應力平衡，再地應力平衡的基礎上進行拉拔，給出地應力平衡效果，然后給出拉拔曲線）
紅色部分為剛體細管和錐頭的缺口，保持完整的土體單元，加快地應力平衡分析步的計算速度和收斂性，地應力平衡后，刪除該部分單元。</p>
(1)geo，地應力平衡，transient /1s ，打開大變形，增量步選擇automatic 采用非對稱求解器；（2）pene，貫入分析步（要考的，記清楚），前兩個分析步均未采用automatic stabilization，但是一定要打開大變形選項防止網格過度扭曲。最重要的操作：重啟動。
ABAQUS分岔隧道連拱段三維開挖支護模型，模擬巖土體，管片等，考慮地應力平衡。（含CAE，inp，odb結果文件）
平行雙線盾構隧道下穿地鐵車站連續掘進施工精細化模擬
視頻內容包含5部分（附inp文件）：
（1）前期準備工作
（2）創建模型幾何部件
（3）材料屬性設置
（4）連續施工模擬（分析步、接觸、荷載設置）
（5）網格劃分及地應力平衡
APDL地應力模型，將樁的單元殺死后對土壤施加重力加速度，命令流見附件
土體施加自重荷載，進行地應力平衡后進行開挖，土體邊界條件及荷載圖如下圖所示：
將所建模型進行開挖，最終我們得到基坑的變形圖如下兩圖所示(為觀察方便，給出合適的變形比例)：
摩爾庫倫本構基坑開挖變形圖：
修正劍橋本構基坑開挖變形圖：
由上圖我們可以得知，
而靜動力邊界條件與地應力平衡橫容易混淆，地應力平衡應該包含在該過程中，許多文獻描述很模糊。新論文：《靜動力邊界轉換及其合理性驗證方法的研究》給出了在進行地震靜動力耦合計算時，靜力邊界條件（固定邊界）向動力邊界條件（黏彈性邊界）轉換的詳細步驟及檢驗方法。
二、模型及部分結果展示
圖1：藍色為邊坡；紅色為空氣層
圖2：網格的劃分
圖3：賦予模型初始應力
圖4：土體達到地應力平衡時的應力分布
圖5：土體底部的地震荷載施加區域
圖6：所施加的周期性荷載（地震荷載
