岩土工程数值分析学习笔记(DOC)

岩土工程数值分析读书笔记

摘要：阅读笔记分为两部分：理论学习和plaxis模拟相关问题。

理论部分

0岩土工程数值分析简介

岩土工程问题解析分析是以弹塑性力学理论和结构力学作为理论依据，适用于解决连续介质、各向同性材料、未知量少、边界条件简单的工程问题，存在很大的局限性。

岩土工程问题数值分析是借助于计算机的计算能力，适用于解决材料复杂、边界条件复杂、任意荷载、任意几何形状，适用范围广。

岩土工程数值分析发展过程：

20世纪40年代，使用差分法解决了土工中的渗流及固结问题，如土坝渗流及浸润线的求法、土坝及地基的固结等。

20世纪60年代，使用有限元法成解决了土石坝的静力问题的求解。

20世纪70年代，使用有限元法解决了土石坝及高楼(包括地基)的抗震分析。

20世纪80年代，边界元法异军突起，解决了半无限域的边界问题；地基的静力及动力问题都使用边界元法得到了有效地解决。

岩土工程数值分析的方法有两类，一类方法是将土视为连续介质，随后又将其离散化，如有限单元法、有限差分法、边界单元法、有限元线法、无单元法以及各种方法的耦合。另一类计算方法是考虑岩土材料本身的不连续性，如裂缝及不同材料间界面的界面模型和界面单元的使用，离散元法，不连续变形分析，流形元法，颗粒流等数值计算方法。

1数值分析过程中存在的问题及解决措施

问题：(1)对岩土工程数值分析方法缺乏系统的知识和深入的理解，出现问题时不知道在什么情况下属于理论问题或数学模型问题；在什么情况下是属于计算方法问题或本构模型问题；在什么情况下是参数的确定问题或计算本身的问题等。

(2)各种本构模型固有的局限性。具有多相性土的物理力学性质太复杂，难以准确地用数学模型和本构模型描述。例如邓肯一张模型不能反映剪胀性，不能反映压缩与剪切的交叉影响；

(3)现有的试验手段和设备不能提供适当、合理和精确的参数。靠少数样本点所获得的参数难以准确地描述整个空间场地的物理力学性能；土的参数因土样扰动难以高质量的获取，其精度很差。

(4)数学模型还会给人造成一种错觉，让人觉得其计算结果也一定会更好、更可靠。这样可能使人们忽略了精确的数学公式也照样会有出错的可能性。只有当输入参数的质量和精度很高，并能与数学模型的精度相匹配时，才有可能得到较为准确的计算结果。

措施：(1)加强对土的本构模型的教学与培训，了解和掌握各种土的本构模型的优点和局限性以及模型参数的离散性。

(2)在使用数值分析方法的同时，不断地积累使用经验，包括他人的经验。

(3)在丰富的使用经验基础上，建立相应的使用规范。

2 有限元法软件plaxis理论学习

（1）模型的选用和分析：

Mohr-Coulomb模型（MC）：这种模型被推荐用于问题的初步分析，对于每个土层，可以估计出一个平均刚度常数，由于这个刚度是常数，计算往往会相对较快，可以得到变形的一个初步印象。五个输入参数，即：表示土体弹性的E和ν，表示土体塑性的ϕ和c，以及剪胀角ψ。

节理岩石模型（JR）：节理模型是一种各向异性的弹塑性模型，特别适用于模拟包括层理尤其是断层方向在内的岩层行为等。两个参数ϕ和c。

Hardening-Soil模型（HS）：是一种改进了的模拟岩土行为的模型，适合所有类型的土；不能用来模拟滞后或者反复循环加载情形。三个参数三轴加载刚度E50、三轴卸载刚度E ur和固结仪加载刚度E oed。我们一般取Eur=3E50和E oed=E50作为不同土体类型的平均值。

软土蠕变模型（SSC）：软土蠕变模型是一个新近开发的应用于地基和路基等的沉陷问题的模型，通常会过高地预计弹性岩土的行为范围。

软土模型（SS）：软土模型是一种Cam-Clay类型的模型，特别适用于接近正常固结的粘性土的主压缩，可以被Hardening-Soil模型取代。

改进的Cam-Clay模型（MCC）：主要用于模拟接近正常固结的粘性土，在实际应用中是不被推荐的。

如果要对所考虑的问题进行一个简单迅速的初步分析，我们建议使用Mohr-Coulomb模型。当缺乏好的土工数据时，进一步的高级分析是没有用的。

在许多情况下，当你拥有主导土层的好的数据时，可以利用Hardening-Soil模型

来进行一个额外的分析。毫无疑问，同时拥有三轴试验和固结仪试验结果的可能

性是很小的。但是,原位实验数据的修正值对高质量实验数据来说是一个有益的补充最后，软土蠕变模型可以用于分析蠕变（即：极软土的次压缩）。用不同的土工模型来分析同一个岩土问题显得代价过高，但是它们往往是值得的。首先，用Mohr-Coulomb模型来分析是相对较快而且简单的；其次，这一过程通常会减小计算结果的误差。

（2）各模型的参数：

MOHR-COULOMB模型的基本参数：E：’杨氏模量；v：’泊桑比；ϕ：内摩擦角；c：内聚力；ψ：剪胀角，这些参数可以从土样的基本试验得到。

杨氏模量E:在土力学中，初始斜率用

E0表示，50%强度处的割线模量由E50表示。

对于具有大范围线弹性行为的材料来说，

使E0是符合实际的，但是对于土体加载问

题一般使用E50。如果考虑隧道和开挖问题

中的卸载问题要用E ur替换E50.

泊桑比V:在许多情况下得到的v值是介于

0.3和0.4之间的。一般地说，除了一维压

缩，这个范围的值还可以用在加载条件下，Tu 图1项目设置

在卸载条件下，使用0.15和0.25之间的值更为普遍。

内摩擦角:PLAXIS可以处理无粘性砂土c=0，但是有一些选项的执行不太好。为了避免复杂性，我们建议不熟练的用户至少输入一个较小值（使用c>0.2kPa）。

剪胀角:以度的方式指定的。除了严重的超固结土层以外，粘性土通常没有什么剪胀性（ψ=0）。砂土的剪胀性依赖于密度和摩擦角。对于石英砂土来说，

ψ=ϕ−30，ψ的值比ϕ的值小30度，然而，剪胀角在多数情况下为零。ψ的小的负值仅仅对极松的砂土是实际的。

HARDENING-SOIL模型的参数：

Tu 图2HS模型强度参数设置

软土模型参数：

Tu 图3软土模型强度参数设置