涵洞施工弹塑性有限元模拟分析

论文摘要

涵洞是埋设在填土下的输水建筑物,广泛地运用在水利、交通、市政工程等基础设施中,其施工过程包括基坑开挖、洞身浇筑以及上覆土体的回填。近年来,随着基础设施建设的规模不断加大,涵洞这类填埋式构筑物越来越得到普遍的应用。本文通过编制有限元程序模拟涵洞施工的全过程得到计算区域内的位移场和应力场并进行分析,为今后此类工程的设计、施工提供科学依据。 本文在用有限元法模拟基坑开挖时以改进的Mana法计算开挖等效释放荷载、以Mohr-Coulomb准则为屈服准则和以三角形单元划分网格的方法分层、分步模拟开挖过程。将挖方计算区域内的单元逐层“挖去”,使开挖表面上的应力完全解除,从而使开挖面成为无应力自由面,在此基础上分析土体的应力场和位移场随开挖深度的变化规律,最后得到开挖完成后的应力场和位移场。涵洞主体浇筑完成后,回填土体时,以开挖完成后的应力场和位移场为初始状态,通过逐级增加计算区域内的单元数目,施加新增单元的自重荷载,模拟分析涵洞、基坑和回填土体的应力状态,得到了涵洞结构受力和土体变形的一般规律。用有限元法模拟涵洞施工过程,充分体现了土体非线性本构关系这一特性,

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 课题意义和目的
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 基坑开挖
• 1.2.2 构筑物建成土体回填
• 1.2.3 涵洞结构计算方法简介
• 1.3 岩土弹塑性有限元理论的研究现状及研究方向
• 1.3.1 有限元在岩土工程中的应用
• 1.3.2 土本构模型的研究概况及发展
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 有限元分析的基本理论
• 2.1 概述
• 2.2 有限元法基本思想
• 2.3 三角形单元分析
• 2.3.1 三角形单元面积坐标
• 2.3.2 三角形等参单元
• 2.4 土体材料的本构模型
• 2.4.1 土体材料的力学性质
• 2.4.2 岩土材料的本构关系的研究现状
• 2.5 土体的弹塑性理论及有限元分析
• 2.5.1 屈服准则
• 2.5.2 流动法则
• 2.5.3 硬化规律
• 2.5.4 加载条件与加、卸载准则
• 2.5.5 有限元分析
• 2.6 节理单元理论及有限元分析
• 2.7 基坑开挖有限元模拟
• 2.7.1 初始地应力介绍
• 2.7.2 基坑开挖地应力释放问题
• 2.7.2.1 基本模拟思想
• 2.7.2.2 开挖释放荷载的计算
• 2.8 施工分层加载过程模拟
• 2.9 单元屈服应力的修正及应力调整
• 第三章 涵洞施工过程弹塑性平面有限元分析系统编制
• 3.1 模型的建立
• 3.2 有限元数值分析方法
• 3.2.1 非线性问题的有限元分析方法
• 3.2.2 非线性问题的整体求解
• 3.2.3 收敛准则
• 3.3 程序简介及主要流程图
• 第四章 工程实例分析验证
• 4.1 工程概述
• 4.2 计算参数的选取
• 4.2.1 计算参数选取的依据
• 4.2.2 开挖前地基土层的计算参数
• 4.2.3 开挖后地基土层的计算参数
• 4.2.4 填筑土体的计算参数
• 4.2.5 节理单元的计算参数
• 4.2.6 涵洞结构混凝土的计算参数
• 4.3 基坑开挖模拟计算结果分析
• 4.3.1 分步开挖后位移场和应力场等值线图
• 4.3.2 开挖后基底隆起
• 4.4 影响涵洞动顶土压力的因素分析
• 4.4.1 覆土厚度和边坡的影响
• 4.4.2 地基弹模的影响
• 第五章 结论及建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 在读研究生期间发表的论文