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关于有限元分析论文范文写作 基坑开挖有限元分析中土体本构模型的修正相关论文写作资料

主题:有限元分析论文写作 时间:2024-01-14

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摘 要:基于莫尔库伦弹塑性本构模型,考虑剪切屈服和压缩屈服之间互不影响的双重硬化准则,提出将非线弹性和塑性联合的组合模型.借助有限元软件MIDAS/GTS结合此本构关系,建立实体模型,针对基坑开挖过程中应力场的变化进行分析.结果表明,该本构模型能较好的适用于基坑开挖过程的动态分析.

Abstract: Based on the Mohr-Coulomb elastoplastic constitutive model, this paper considering the double hardening criterion, which is not affected by the shear yield and compression yield, a combined model of nonlinear elasticity and plasticity is proposed. With the finite element software MIDAS/GTS, combining with the constitutive relation, the solid model was established to analyze the change of stress field during the excation of the foundation pit. The results show that the constitutive model can be applied to the excation process.

关键词:本构模型;硬化模型;土体应力;塑性屈服

Key words: constitutive model;hardening model;soil stress;plastic yield

中图分类号:TU432 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2018)06-0119-03

0 引言

近年来,随着工程技术的提高,在城市中兴起了大量的各类建筑,这些大规模建筑的施工都面临着深基坑工程,基坑规模越来越大、开挖深度也越来越大,如上海长峰商城[1]、国家大剧院基坑工程[2].有些基坑场地比较紧凑,临近周围建筑红线,使做到基坑周边施工场地狭窄,不利于施工,如上海平安金融广场[3].因此,关于基坑支护结构的设计和开挖施工过程也愈发重要.通常,使用连续介质平面有限元法可以分析支护结构的内力和位移、支撑的轴力以及土体的变形、基坑开挖对周边环境的影响,但是平面有限元分析不能考虑基坑开挖的三维效应,为此CHEW[4]、赵海燕[5]、俞建霖[6]等编制了基坑开挖的三维有限元程序并分析了基坑开挖的三维效应.陆新征[7]将通用有限元程序ANSYS应用于具体基坑工程的三维分析并指导了工程设计.采用有限元法或者运用有限元软件模拟基坑开挖过程以及对土体和支护结构的性状进行分析,最重要的是选取合适的土体本构模型.目前在三维有限元分析中使用较多的是理想弹塑性本构,如D-P、莫尔库伦.

一般而言,土体的刚度一般随着应力和应力水平的改变而变化,不仅如此随着深度的增加,下部土体的刚度也在逐渐增大,但这些在常用的本构模型中均未考虑.对于基坑开挖过程中的土体,国内外已经采用应力路径三轴试验对土体的变形和强度特征进行了研究,主要结论为:侧向卸荷路径模量约为常规三轴加荷路径模量的1倍~2倍[8-9],轴向卸荷路径模量约为常规三轴加荷路径模量的2倍~5倍[10-11].本文在莫尔库伦本构模型的基础上,采用了考虑剪切硬化和压缩硬化的本构模型,利用有限元软件MIDAS/GTS,验证了此本构模型的适用性,并对基坑开挖过程中周围土体的应力状态进行分析说明.

1 常用岩土本构模型

1.1 线弹性本构模型

各向同性的理想弹性体模型是最简单的力学本构模型,相应的本构方程就是广义虎克定律.线弹性模型中表达的应力应变关系是非常简单的,然而实际工程土体的应力应变关系具有非线性、弹塑性、剪胀性等性状,而且弹性刚度是常量,不随深度增加的话,弹性分析做到出的结果会更差.总的来说,线弹性模型不适合于基坑开挖的分析.这是由于在线弹性模型中,拉应力、压应力或剪应力均随着变形的增加而线性地增长,永远也不会达到破坏状态.

1.2 理想弹塑性本构模型

理想弹塑性本构模型是对真实材料应力应变关系的简化,在屈服点之前为线性弹性应力应变关系,屈服点之后为应力应变关系为一条直线,表示理想塑性阶段.如莫尔库伦本构模型,为弹性本构和莫尔库伦屈服准侧的结合.此类本构模型的理想塑性阶段,屈服点之后,应力保持不变,而应变却不断增大,并且卸荷和重复加荷的模量与弹性阶段的相同.在应力空间中,屈服面的位置和形状是不变的.事实上,对于基坑开挖的过程,是开挖面土体的卸荷过程,应力路径和弹性模量发生了变化,严格意义上屈服面也是不断变化的.由于理想弹塑性不能反映土体的刚度依赖与应力和应变水平的特性,因而对于基坑开挖时周围土体应力变化和变形的预测也不够合理.

2 修正莫尔库伦本构

Potts[12-13]指出,采用应变硬化模型来模拟基坑开挖问题时,则能较好地预测基坑变形的情况.硬化模型的主要特性就是其后继屈服面是不断变化的,材料随着塑性变形的发展屈服面不断变化,每一个应力状态对应相应的屈服面,是连续变化的一系列屈服曲面.本文提出的修正莫爾库伦模型可以考虑按照加载或卸载的情况输入不同的弹性模量值,考虑土体刚度与应力状态的相关性,是剪切屈服和压缩屈服之间互相没有影响的双重硬化模型.

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