Part4-土工试验室模拟-练习

土工试验室模拟（练习）

概述

岩土工程中土体参数来源于一个或多个室内试验。为了得到更好的结果，需要将土层参数转化为PLAIXS中本构模型的输入参数，并充分考虑各本构模型的特性和局限。PLAXIS中大多数模型可以根据三轴或侧限等标准土工试验获得。但是，根据模型的复杂性，建议用户不要仅是简单地采用试验室获得的参数，而是应该实际去模拟这些试验，查看在模型局限范围内，模拟所得试验是否能表达实际室内试验的结果。为此，PLAXIS中添加了土工试验模块，在该模块中无需建立有限元模型，即可用简捷的方式模拟室内试验。

该练习中，将使用土工试验工具模拟砂土和粘土的侧限试验和三轴试验。目录

●室内试验模拟

----砂土试验模拟

----粘土试验模拟

●附录A：参数的确定

●附录B：土工试验工具

●----如何模拟侧限试验

●----如何模拟三轴试验

室内试验模拟

本练习中，详细介绍了两种不同材料的侧限试验和三轴试验，目的是为了确定土体硬化模型的参数，以使PLAXIS中模拟得到的结果与室内试验一致。简言之：

1、根据已有实际室内试验结果确定土体参数；

2、根据获得的参数在PLAXIS中进行试验模拟；

3、比较PLAXIS试验模拟与实际室内试验得到的结果，最终确定模型的参

数。

例题1：砂土的室内试验

参数确定

对砂土土样进行了侧限和三轴试验。所得结果如下图所示。根据这些曲线确定HS模型的参数，并将其填写到表1中。注意，有一些参数并不能从所得试验结果中获得，此时需要估计该参数。

图1 砂土侧限压缩试验

图2 侧限压缩试验中水平应力和竖向应力的发展过程

图3 三轴加卸载试验（围压=100kPa）

图4 三轴排水试验轴应变-体应变关系曲线将数据收集到下列表格中：

表1 砂土土体硬化模型（HS）参数

根据上述参数，在土工试验室中进行三轴试验模拟。

练习2：粘土室内试验

图5 粘土侧限压缩试验

图6 围压100kPa和400kPa下三轴不排水（CU）试验

图7 围压100kPa三轴不排水（CU）试验

将土工参数收集于下表2：

表2 砂土土体硬化模型（HS）参数

根据上述参数，在土工试验室中进行三轴试验模拟。

附录A：参数确定

砂土

根据三轴试验确定参数。

图8 根据三轴排水试验确定刚度参数

粘聚力和摩擦角

围压时，破坏时最大偏应力。莫尔-库伦破坏准则：

试样为砂土，我们假定粘聚力为0，因此莫尔-库伦准则退化为：

将和代入上式，可得摩擦角=42°。

三轴试验参考刚度

三轴试验刚度为破坏荷载50%处对应的割线刚度。如图8三轴试验中红色曲线所示。

土体硬化（HS）模型中三轴试验刚度定义式为：

参考应力p ref为三轴试验的围压100kPa，则

参考卸载-重加载刚度

与从三轴试验中获取参考刚度的方法类似，如果在三轴试验中，执行卸载-重加载试验，我们可以确定卸载-重加载刚度。土体硬化（HS）模型没有卸载-重加载对应的滞回行为，还是简单具备非线性弹性卸载-重加载行为。因此，如三轴试验结果中的绿色曲线所示，我们取割线斜率作为卸载-重加载刚度。

同样假定参考围压为100kPa：

不过对于卸载-重加载刚度而言，该数值偏小，因此我们取

剪胀角

通过轴向应变-体积应变关系曲线，可以根据下式确定剪胀角：

详见图9.

，，可以得到剪胀角。

注意：根据该图无法确定土体硬化模型的泊松比。这是因为该图达标主加载过程中的侧限试验，而该模型中需要的泊松比为卸载-重加载泊松比。

图9 根据三轴试验确定剪胀角

侧限刚度和刚度应力相关幂指数

从侧限试验中，我们可以确定竖向应力和对应的刚度，如图10所示。注意，为切线刚度。确保使用侧限试验加载部分的结果。

土体硬化模型中，应力相关侧限刚度定义为：

，则

幂指数m值可以确定如下：

图10 侧限刚度及幂指数的确定

正常固结K0数值

在侧限压缩试验中测量水平应力和竖向应力，得到如图11所示曲线，根据该曲线可获得正常固结K0。从加载线上，可以得到

此外，我们可以使用Jaki公式

图11 侧限压缩试验中水平/竖向应力比

卸载/重加载刚度

如果没有卸载-重加载试验数据，也可以通过侧限压缩试验确定卸载/重加载刚度。不过，土体硬化模型卸载/重加载刚度是与围压相关，而对于侧限压缩试验，刚度与竖向应力，即直接相关。

又（pref为！），则

该数值稍有偏高，因此我们选择。

表3 砂土土体硬化模型参数表

粘土

粘聚力和摩擦角

我们根据三轴不排水（CU）试验确定强度参数。

图12 粘土强度参数的确定

黑色虚线为p’-q平面中莫尔-库伦破坏准则。主应力空间中莫尔-库伦破坏准则定义为：

由于三轴试验中，，上述条件可写为：

因此，p’-q平面中莫尔-库伦线定义为：

根据莫尔-库伦线在纵轴（p=0）上的截距，可得到粘聚力：

侧限和卸载-重加载参考刚度

根据侧限试验，可以获得侧限刚度和卸载-从加载刚度。根据对数曲线，用户可以轻松绘制出切线，下图为砂土侧限试验所得结果。

图13 侧限和卸载-重加载刚度的确定

在主加载和卸载-重加载路径下，为直线关系，对应关系式如下：

为确定刚度，我们对应变求导并转化为自然对数：

在土体硬化模型中，有以下关系式（假定c=0）：