三維RITSS大變形有限元方法及其在基礎(chǔ)刺入破壞和錨板承載力問(wèn)題中的應(yīng)用.pdf

1、巖土工程有限元計(jì)算一般采用增量塑性本構(gòu)模型來(lái)考慮材料非線性，對(duì)幾何非線性即大變形問(wèn)題考慮較少。而對(duì)于基礎(chǔ)連續(xù)貫入或拔出、靜力觸探、邊坡滑移和固結(jié)沉降等問(wèn)題，土體失穩(wěn)過(guò)程都是局部化變形形成和發(fā)展的結(jié)果，其累積塑性應(yīng)變已超過(guò)小應(yīng)變的界限，土體變形或結(jié)構(gòu)位移對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。對(duì)于這些問(wèn)題，工程中還往往要求了解土體或結(jié)構(gòu)連續(xù)變形直至破壞的災(zāi)變?nèi)^(guò)程，這就需要采用考慮幾何非線性的大變形數(shù)值方法進(jìn)行分析。 近年來(lái)，一些學(xué)者分別采用TL、U

2、L和ALE大變形有限元方法，分析了各種土工大變形問(wèn)題。其中，屬于ALE范疇的RITSS方法是一種簡(jiǎn)便實(shí)用的大變形有限元方法，它在小變形有限元模型的基礎(chǔ)上通過(guò)網(wǎng)格重剖分和應(yīng)力插值技術(shù)實(shí)現(xiàn)大變形分析，目前已被廣泛應(yīng)用于模擬基礎(chǔ)連續(xù)變形過(guò)程并取得了很好的成果。但現(xiàn)有大變形數(shù)值分析相關(guān)文獻(xiàn)多為平面應(yīng)變或軸對(duì)稱(chēng)的二維問(wèn)題，三維土工大變形分析成果報(bào)道很少。這是因?yàn)槿S大變形分析有限元實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，比如考慮幾何大變形的有限元列式推導(dǎo)繁瑣，三維計(jì)算網(wǎng)格

3、自動(dòng)剖分與控制、邊界變形追蹤困難，以及計(jì)算規(guī)模過(guò)大導(dǎo)致效率低下等。而一些實(shí)際工程問(wèn)題用二維模擬難以得到精確解答，比如方形和矩形基礎(chǔ)貫入問(wèn)題、傾斜圓形和方形錨板的承載力問(wèn)題以及三維錨板的上拔調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)問(wèn)題等，都需要采用三維大變形數(shù)值方法進(jìn)行分析。 因此，本文在二維RITSS大變形有限元方法的基礎(chǔ)上，提出了一種穩(wěn)定可靠的三維應(yīng)力插值方法，實(shí)現(xiàn)了三維網(wǎng)格的全自動(dòng)剖分，從而開(kāi)發(fā)了一種能在普通微機(jī)上執(zhí)行的適用于土工分析的三維大變形有限元方法

4、3D-RITSS，并采用該方法深入分析了雙層地基方形基礎(chǔ)刺入破壞和三維錨板旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)這兩種三維土工大變形問(wèn)題，以期為工程設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。另外，對(duì)于錨板承載力問(wèn)題，多數(shù)文獻(xiàn)都是針對(duì)均質(zhì)土中的水平或豎直的錨板，研究錨板傾角和正常固結(jié)土非均質(zhì)性對(duì)承載力影響的相關(guān)工作還不多，因此本文通過(guò)大量二維和三維小變形有限元計(jì)算分析了各種因素對(duì)傾斜錨板抗拔承載力的影響。本文主要工作包括： 1)將二維RITSS大變形有限元方法推廣到三維情況，主要貢獻(xiàn)

5、包括：對(duì)多種單元類(lèi)型進(jìn)行了詳細(xì)的比較與分析，找到了適用于三維大變形土工分析的單元類(lèi)型--20結(jié)點(diǎn)非結(jié)構(gòu)化六面體單元，它不但適于網(wǎng)格自動(dòng)剖分，而且在模擬飽和黏土地基(三維不可壓縮材料)時(shí)能夠給出較準(zhǔn)確的極限承載力；針對(duì)該單元類(lèi)型提出了一種穩(wěn)定高效的應(yīng)力插值方法UED；開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)便的三維結(jié)點(diǎn)節(jié)理單元模擬基礎(chǔ)與土的相互作用；采用B樣條曲線簇?cái)M合變形后的邊界自由面，實(shí)現(xiàn)了大變形計(jì)算的全自動(dòng)運(yùn)行；最后通過(guò)算例驗(yàn)證了3D-RITSS方法的可靠性和

6、穩(wěn)定性。 2)采用3D-RITSS大變形有限元法模擬了方形基礎(chǔ)連續(xù)貫入上強(qiáng)下弱雙層黏土地基的過(guò)程，分析了上層土厚度和上下土層強(qiáng)度比對(duì)基礎(chǔ)發(fā)生刺入破壞時(shí)的臨界承載力系數(shù)和臨界深度的影響。貫入過(guò)程的承載力系數(shù)一沉降曲線以圖表形式給出，并給出了近似公式以便于工程設(shè)計(jì)應(yīng)用。給出了貫入過(guò)程中土體滑裂面形狀和塑性區(qū)的發(fā)展情況，為解析和半解析計(jì)算提供一定依據(jù)。 3)采用二維小變形有限元法分析了傾斜條形錨板在均質(zhì)和正常固結(jié)黏土中的承載力，著重探

7、討了錨-土黏結(jié)方式(始終黏結(jié)或立即分開(kāi))、錨板傾角、土體自重以及正常固結(jié)土非均質(zhì)度等因素對(duì)承載力的影響。分析了土重疊加方法對(duì)正常固結(jié)黏土中立即分開(kāi)形式錨板的適用性，并給出了不同埋深和傾角情況下錨板的極限承載力系數(shù)Nc*。分析了土體非均質(zhì)度對(duì)正常固結(jié)土中錨板承載力系數(shù)Nck和極限承載力系數(shù)Nck*的影響。提出了任意正常固結(jié)黏土中任意角度條形錨板承載力系數(shù)的計(jì)算步驟和公式，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。采用2D-RITSS大變形有限元方法分析了考慮土

8、重情況下錨-土分離的條件，結(jié)果表明γH/c是決定錨-土是否分離的重要標(biāo)尺。 4)采用三維小變形有限元法分析了傾斜圓形和方形錨板在均質(zhì)黏土中的承載力,探討了傾角對(duì)承載力和土體流動(dòng)機(jī)制的影響，并驗(yàn)證了利用已知水平和豎直錨板承載力計(jì)算任意傾斜角度錨板承載力的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)圓形和方形錨板的適用性，驗(yàn)證了淺埋水平錨板的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。 5)采用3D-RITSS大變形有限元法分析了三維條形和方形錨板在正常固結(jié)黏土中的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)過(guò)程，著重分析