abaqus第二讲-固结计算

物态边界面与临界状态线
v=- lnp
p＝exp((-v)/ ) q=Mp=M exp((-v)/ )
临界状态线，物态面
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
各向等压的加载 与卸载
v=N- lnp：初始加载 v=v- lnp：回弹曲线
• Abaqus中的剑桥模型屈服面方程
1 p t 1 1 0 2 a Ma
ห้องสมุดไป่ตู้
2
2
• 剑桥模型参数 M，λ， κ，ecs
Abaqus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： • *CLAY PLASTICITY，HARDENING=EXPONENTIAL， INTERCEPT=e1；当包含INTERCEPT选项时，数据行的 a0无效。 • M a0
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。
固结不排水试验的有效 C-U：固结不排水试验有效应力路径 应力路径
NCL: normal consolidation line q=M p v=N- lnp （NCL)
N
CSL: critical state line

v=- lnp (CSL) p＝exp(-v)/
正常固结粘土的排水与不排水应力路径
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
• 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
•
• •
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 • 隙水压力 • （1）定义初始孔隙水压力 • *Initial conditions,type=pore pressure ；关键字pore pressure表明定义的是孔隙水压力。 • （2）定义初始孔隙比 • *Initial conditions,type=ratio ；关键字ratio表明定义的是 孔隙比。 其它初始条件的设置:初始孔隙比、初始孔
2 2 2 ' ' ' p 0 p 0 q p 2 M 2

（3）
屈服轨迹的形状：
(2)
椭圆（帽子）屈服面
M
修正剑桥模型的椭圆帽子屈服面
修正剑桥（Modified cam clay）模型
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 ' ' p ' p 0 q 0 p 2 2 M

• 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。
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：v1+e v=e
e 1
v－e/(1+e0)
的几何意义
q
固结不排水试验的有效应力路径相似性
D3
U3
D2
临界状态线
CSL: Critical State Line
U2
U1
D1
p
C2 C1 C-D：固结排水试验有效应力路径 C3
•
•
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
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。
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
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： •
σ σ uw 1 ua I
ABAQUS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（gravity load）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（Body force， BX、BY或BZ）来实现，则ABAQUS/Standard中采用的是 超孔压。
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。
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 VOIDR POR SAT GELVR FLUVR FLVEL 含义 孔隙比 单元积分点的孔压 饱和度 固体占总体积的比例 流体占总体积的体积比 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。