三維RITSS大變形有限元方法及其在基礎刺入破壞和錨板承載力問題中的應用.pdf

1、巖土工程有限元計算一般采用增量塑性本構模型來考慮材料非線性，對幾何非線性即大變形問題考慮較少。而對于基礎連續(xù)貫入或拔出、靜力觸探、邊坡滑移和固結沉降等問題，土體失穩(wěn)過程都是局部化變形形成和發(fā)展的結果，其累積塑性應變已超過小應變的界限，土體變形或結構位移對計算結果影響較大。對于這些問題，工程中還往往要求了解土體或結構連續(xù)變形直至破壞的災變全過程，這就需要采用考慮幾何非線性的大變形數(shù)值方法進行分析。 近年來，一些學者分別采用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題。其中，屬于ALE范疇的RITSS方法是一種簡便實用的大變形有限元方法，它在小變形有限元模型的基礎上通過網格重剖分和應力插值技術實現(xiàn)大變形分析，目前已被廣泛應用于模擬基礎連續(xù)變形過程并取得了很好的成果。但現(xiàn)有大變形數(shù)值分析相關文獻多為平面應變或軸對稱的二維問題，三維土工大變形分析成果報道很少。這是因為三維大變形分析有限元實現(xiàn)比較復雜，比如考慮幾何大變形的有限元列式推導繁瑣，三維計算網格

3、自動剖分與控制、邊界變形追蹤困難，以及計算規(guī)模過大導致效率低下等。而一些實際工程問題用二維模擬難以得到精確解答，比如方形和矩形基礎貫入問題、傾斜圓形和方形錨板的承載力問題以及三維錨板的上拔調節(jié)旋轉問題等，都需要采用三維大變形數(shù)值方法進行分析。 因此，本文在二維RITSS大變形有限元方法的基礎上，提出了一種穩(wěn)定可靠的三維應力插值方法，實現(xiàn)了三維網格的全自動剖分，從而開發(fā)了一種能在普通微機上執(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刺入破壞和三維錨板旋轉調節(jié)這兩種三維土工大變形問題，以期為工程設計提供一定依據(jù)。另外，對于錨板承載力問題，多數(shù)文獻都是針對均質土中的水平或豎直的錨板，研究錨板傾角和正常固結土非均質性對承載力影響的相關工作還不多，因此本文通過大量二維和三維小變形有限元計算分析了各種因素對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

5、包括：對多種單元類型進行了詳細的比較與分析，找到了適用于三維大變形土工分析的單元類型--20結點非結構化六面體單元，它不但適于網格自動剖分，而且在模擬飽和黏土地基(三維不可壓縮材料)時能夠給出較準確的極限承載力；針對該單元類型提出了一種穩(wěn)定高效的應力插值方法UED；開發(fā)了一種簡便的三維結點節(jié)理單元模擬基礎與土的相互作用；采用B樣條曲線簇擬合變形后的邊界自由面，實現(xiàn)了大變形計算的全自動運行；最后通過算例驗證了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連續(xù)貫入上強下弱雙層黏土地基的過程，分析了上層土厚度和上下土層強度比對基礎發(fā)生刺入破壞時的臨界承載力系數(shù)和臨界深度的影響。貫入過程的承載力系數(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計應用。給出了貫入過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和正常固結黏土中的承載力，著重探

7、討了錨-土黏結方式(始終黏結或立即分開)、錨板傾角、土體自重以及正常固結土非均質度等因素對承載力的影響。分析了土重疊加方法對正常固結黏土中立即分開形式錨板的適用性，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*。分析了土體非均質度對正常固結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黏土中任意角度條形錨板承載力系數(shù)的計算步驟和公式，為工程設計提供依據(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，結果表明γH/c是決定錨-土是否分離的重要標尺。 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黏土中的承載力,探討了傾角對承載力和土體流動機制的影響，并驗證了利用已知水平和豎直錨板承載力計算任意傾斜角度錨板承載力的經驗公式對圓形和方形錨板的適用性，驗證了淺埋水平錨板的簡化計算公式。 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黏土中的旋轉調節(jié)過程，著重分析