abaqus第二讲-固结计算

ABAQUS/CAE简介固结计算概述•ABAQUS固结计算中的一些问题•太砂基一维固结计算•修正剑桥模型的一维问题计算•堆载预压平面问题计算ABAQUS固结计算中的一些问题•可以求解以下问题：•（1）饱和渗流：最典型的例子就是饱和土的固结问题。•（2）非饱和渗流问题：典型例子有灌溉问题、降雨入渗等。•（3）联合渗流：最典型的是土坝的渗流问题，浸润面的位置是工程技术人员关注的重点之一，在浸润面以下是饱和渗流，浸润面以上则是非饱和渗流。•（4）水分迁移问题：尽管和岩土工程的关系不大，ABAQUS/Standard提供的流体渗透/应力耦合分析也能求解水分的迁移问题。ABAQUS固结计算中的一些问题•孔隙介质中的流体流动：ABAQUS/Standard中处理孔隙介质中的流体流动的方式和岩土工程中的的做法是一致的，即将孔隙体视为多相材料，孔隙中的流体可包含两部分：一是液体，通常认为其压缩性相对很低；另一个则是气体，认为其是可压缩的。土体的体积包括两部分：土颗粒的体积和孔隙的体积，孔隙的体积等于孔隙中液体的体积与气体体积之和。ABAQUS固结计算中的一些问题•有效应力原理：在ABAQUS中应力以拉为正，而液体压力和气体压力则以压为正。因此，ABAQUS中的有效应力原理和常规土力学中的表达略有差异，如下所示：•1wauuσσIABAQUS固结计算中的一些问题•固结计算中的孔压：如土力学中介绍的那样，孔隙中液体的压力（简称孔压）通常有两种表示方式，即总孔压或超孔压。超孔压指的是超出静水压力的那部分。ABAQUS/Standard中的流体渗透/应力耦合分析中可以基于总孔压，也可基于超孔压进行分析。当模型的重力荷载采用GRAV（gravityload）分布荷载类型进行定义时，ABAQUS/Standard基于总孔压进行分析；若模型重力通过施加体力（Bodyforce，BX、BY或BZ）来实现，则ABAQUS/Standard中采用的是超孔压。ABAQUS固结计算中的一些问题•荷载和边界条件：除了正常的荷载、位移边界条件之外，在固结分析中，还可以对自由度8，即孔压，进行相应的荷载和边界条件设置，如排水边界上可将孔压设为0。ABAQUS固结计算中的一些问题•设置初始条件：设置初始有效应力分布•其它初始条件的设置:初始孔隙比、初始孔隙水压力•（1）定义初始孔隙水压力•*Initialconditions,type=porepressure；关键字porepressure表明定义的是孔隙水压力。•（2）定义初始孔隙比•*Initialconditions,type=ratio；关键字ratio表明定义的是孔隙比。ABAQUS固结计算中的一些问题•固结计算中的输出变量：•变量名称含义VOIDR孔隙比POR单元积分点的孔压SAT饱和度GELVR固体占总体积的比例FLUVR流体占总体积的体积比FLVEL孔隙流体的速度分量及大小ABAQUS固结计算中的一些问题•固结计算中的单位：•流体渗透/应力耦合分析中的单位并无具体要求。采取的物理量之间的单位协调即可，如长度都取m，应力都取kPa等。但要注意应力和渗流的单位建议不要相差太大，比如应力可采用MPa而不是Pa，避免总刚度矩阵病态。算例1：太沙基（Terzaghi）一维固结•土层厚度为10.0m，土层的初始孔隙比为1.5，底面不排水，顶面排水，土体表面一次瞬时施加荷载200kPa。为和Terzaghi固结理论的条件对应，土体取为线弹性体，弹性模量，泊松比，渗透系数；水的容重……算例1：太沙基（Terzaghi）一维固结•模型建立及求解•STEP1：取一宽度为1.0m、高度为10.0m的土柱，并在后面的边界条件设置中只允许土体发生竖直位移•STEP2：设置材料及截面特性•STEP3：装配部件•STEP4：定义分析步•STEP5：定义荷载、边界条件•STEP6：划分网格•STEP7：修改模型输入文件，建立初始条件•STEP8：提交任务•STEP9：结果分析大变形对计算结果的影响算例2：剑桥粘土地基固结分析•厚10.0m的水平的饱和正常固结土地基，土层底部不排水，顶面排水。在正式加载前，土体在自重和表面均布荷载10kPa作用下已经固结完成，随后土层表面瞬间施加均布荷载100kPa（总荷载110kPa），计算功能计算沉降随时间的发展、孔压的变化等。假设在整个分析过程中，地下水位与土体表面保持齐平。正常固结粘土的物态边界面三轴应力状态：偏应力：q=平均主应力：p=(+2)/3比体积：v1+ev=ee1v－e/(1+e0)的几何意义C-D：固结排水试验有效应力路径C-U：固结不排水试验有效应力路径固结不排水试验的有效应力路径相似性pqC1C2C3U1U3U2D1D3D2临界状态线CSL:CriticalStateLine固结不排水试验的有效应力路径正常固结粘土的排水与不排水应力路径q=Mpv=N-lnp（NCL)v=-lnp(CSL)p＝exp(-v)/NCL:normalconsolidationlineCSL:criticalstatelineN物态边界面与临界状态线p＝exp((-v)/)q=Mp=Mexp((-v)/)临界状态线，物态面v=-lnp正常固结粘土的物态边界面三维空间的物态边界面（1）p,q,e三者一一对应（2）有效应力路径的唯一性正常固结粘土的物态边界面v=N-lnp：初始加载v=v-lnp：回弹曲线各向等压的加载与卸载2'2'2'2200pMqpp屈服轨迹的形状：椭圆（帽子）屈服面M(2)（3）修正剑桥模型的椭圆帽子屈服面修正剑桥（Modifiedcamclay）模型•Abaqus中的剑桥模型屈服面方程2221110ptaMa•剑桥模型参数M，λ，κ，ecsAbaqus中剑桥模型的用法•（1）在ABAQUS/CAE中使用剑桥模型•（2）在inp输入文件中使用剑桥模型•定义剑桥模型的关键字行语句为：•*CLAYPLASTICITY，HARDENING=EXPONENTIAL，INTERCEPT=e1；当包含INTERCEPT选项时，数据行的a0无效。•M0ak剑桥模型在本算例中的应用及注意事项等向固结线、K0固结线和临界状态线的位置2'2'2'2200pMqpp•注意：屈服面的大小和孔隙比、应力状态之间应是协调的，即应保证当前应力状态在屈服面的内部（含屈服面）。如果应力状态超出了屈服面，ABAQUS会自动调整屈服面的大小。•本算例中除了初始有效应力和初始孔压是沿深度线性分布之外，孔隙比随深度都应是非线性的分布。若简单的将它们视为线性分布可能会带来计算误差。通常情况下，若要精确模拟这些变量随深度的分布，需要用到用户子程序。算例2：剑桥粘土地基固结分析•模型建立及求解•STEP1：建立part•STEP2：设置材料及截面特性•STEP3：装配部件•STEP4：定义分析步•STEP5：定义荷载、边界条件•STEP6：划分网格•STEP7：修改模型输入文件，建立初始条件•STEP8：提交任务•STEP9：结果分析堆载预压模拟模型示意图堆载过程曲线