边界条件对开挖土坡性状影响的流固耦合有限元分析

论文摘要

对于开挖土坡,目前人们通过有限元计算,对土坡内部的位移场、应力场和孔压场已经有了初步的认识,然而对于各类边界条件的研究还没有引起人们足够的重视。实际上,边界条件对于内部区域的影响是非常大的。一般来说,开挖土坡存在着三种边界条件,荷载边界条件、位移边界条件和水流边界条件。采用考虑水土相互作用的流-固耦合有限元方法,来分析各类边界条件下的土坡性状是比较符合工程实际。Biot固结方程是进行流固耦合分析最通用的方法,本文尝试以Biot固结理论为基础,推导以孔隙水势函数为变量的有限元方程,考虑土体中静水压力,采用非线性流固耦合的有限元有效应力方法来分析土坡的应力场、位移场和孔压场的分布。土的本构关系采用Duncan -Chang模型,方程组的解法用中点增量法,编制了流固耦合的土坡稳定分析程序（CFEASS）。根据有限元计算的应力结果可确定任意时刻的有效应力和孔隙水压力并确定相应的临界滑动面和最小安全系数,从而确定终了时刻临界滑动面和最小安全系数。土坡稳定安全系数定义为滑动面上抗剪强度与实际剪应力之比;临界滑动面搜索采用了二分法。本文分析了各种不同边界条件下土坡的应力场和位移场变化。在考虑流固耦合有限元分析基础上的稳定分析方法,模拟了土体的应力-应变特性和土坡开挖过程,可以反映应力场、孔压场和安全系数的动态变化,确定长期安全系数。明显优于总应力分析方法。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 固结理论
• 1.3 边坡稳定分析方法综述
• 1.4 本文研究的内容和意义
• 第二章 流固耦合有限元分析方法与程序设计
• 2.1 概述
• 2.2 流固耦合有限元法基本原理
• 2.3 土体非线性有限元分析
• 2.4 土体非线性分析中的几个问题
• 2.5 程序的设计
• 第三章 土坡稳定分析安全系数与临界滑动面技术
• 3.1 概述
• 3.2 安全系数的定义
• 3.3 二分法搜索临界滑动面
• 第四章 各类边界条件下饱和开挖土坡的性状研究
• 4.1 概述
• 4.2 通常边界条件下均质土坡的性状研究
• 4.3 通常边界条件下均质土坡安全系数的规律性探讨
• 4.4 通常边界条件下成层土坡的性状研究
• 4.5 坡顶局部有堆载的土坡的性状研究
• 4.6 各类可能的边界条件下的土坡的性状研究
• 第五章 结论与建议
• 5.1 初步结论
• 5.2 进一步研究方向
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢