三维RITSS大变形有限元方法及其在基础刺入破坏和锚板承载力问题中的应用

论文摘要

岩土工程有限元计算一般采用增量塑性本构模型来考虑材料非线性,对几何非线性即大变形问题考虑较少。而对于基础连续贯入或拔出、静力触探、边坡滑移和固结沉降等问题,土体失稳过程都是局部化变形形成和发展的结果,其累积塑性应变已超过小应变的界限,土体变形或结构位移对计算结果影响较大。对于这些问题,工程中还往往要求了解土体或结构连续变形直至破坏的灾变全过程,这就需要采用考虑几何非线性的大变形数值方法进行分析。近年来,一些学者分别采用TL、UL和ALE大变形有限元方法,分析了各种土工大变形问题。其中,属于ALE范畴的RITSS方法是一种简便实用的大变形有限元方法,它在小变形有限元模型的基础上通过网格重剖分和应力插值技术实现大变形分析,目前已被广泛应用于模拟基础连续变形过程并取得了很好的成果。但现有大变形数值分析相关文献多为平面应变或轴对称的二维问题,三维土工大变形分析成果报道很少。这是因为三维大变形分析有限元实现比较复杂,比如考虑几何大变形的有限元列式推导繁琐,三维计算网格自动剖分与控制、边界变形追踪困难,以及计算规模过大导致效率低下等。而一些实际工程问题用二维模拟难以得到精确解答,比如方形和矩形基础贯入问题、倾斜圆形和方形锚板的承载力问题以及三维锚板的上拔调节旋转问题等,都需要采用三维大变形数值方法进行分析。因此,本文在二维RITSS大变形有限元方法的基础上,提出了一种稳定可靠的三维应力插值方法,实现了三维网格的全自动剖分,从而开发了一种能在普通微机上执行的适用于土工分析的三维大变形有限元方法3D-RITSS,并采用该方法深入分析了双层地基方形基础刺入破坏和三维锚板旋转调节这两种三维土工大变形问题,以期为工程设计提供一定依据。另外,对于锚板承载力问题,多数文献都是针对均质土中的水平或竖直的锚板,研究锚板倾角和正常固结土非均质性对承载力影响的相关工作还不多,因此本文通过大量二维和三维小变形有限元计算分析了各种因素对倾斜锚板抗拔承载力的影响。本文主要工作包括:1)将二维RITSS大变形有限元方法推广到三维情况,主要贡献包括:对多种单元类型进行了详细的比较与分析,找到了适用于三维大变形土工分析的单元类型——20结点非结构化六面体单元,它不但适于网格自动剖分,而且在模拟饱和黏土地基（三维不可压缩材料）时能够给出较准确的极限承载力;针对该单元类型提出了一种稳定高效的应力插值方法UED;开发了一种简便的三维结点节理单元模拟基础与土的相互作用;采用B样条曲线簇拟合变形后的边界自由面,实现了大变形计算的全自动运行;最后通过算例验证了3D-RITSS方法的可靠性和稳定性。2)采用3D-RITSS大变形有限元法模拟了方形基础连续贯入上强下弱双层黏土地基的过程,分析了上层土厚度和上下土层强度比对基础发生刺入破坏时的临界承载力系数和临界深度的影响。贯入过程的承载力系数-沉降曲线以图表形式给出,并给出了近似公式以便于工程设计应用。给出了贯入过程中土体滑裂面形状和塑性区的发展情况,为解析和半解析计算提供一定依据。3)采用二维小变形有限元法分析了倾斜条形锚板在均质和正常固结黏土中的承载力,着重探讨了锚-土黏结方式（始终黏结或立即分开）、锚板倾角、土体自重以及正常固结土非均质度等因素对承载力的影响。分析了土重叠加方法对正常固结黏土中立即分开形式锚板的适用性,并给出了不同埋深和倾角情况下锚板的极限承载力系数Nc*。分析了土体非均质度对正常固结土中锚板承载力系数Nck和极限承载力系数Nck*的影响。提出了任意正常固结黏土中任意角度条形锚板承载力系数的计算步骤和公式,为工程设计提供依据。采用2D-RITSS大变形有限元方法分析了考虑土重情况下锚-土分离的条件,结果表明γH/c是决定锚-土是否分离的重要标尺。4)采用三维小变形有限元法分析了倾斜圆形和方形锚板在均质黏土中的承载力,探讨了倾角对承载力和土体流动机制的影响,并验证了利用已知水平和竖直锚板承载力计算任意倾斜角度锚板承载力的经验公式对圆形和方形锚板的适用性,验证了浅埋水平锚板的简化计算公式。5)采用3D-RITSS大变形有限元法分析了三维条形和方形锚板在正常固结黏土中的旋转调节过程,着重分析了锚板加载偏心率、上拔倾角和几何形状（长宽比）对旋转调节过程中埋深损失的影响。分析了锚板旋转调节过程中承载力和土体流动机制的变化过程。计算结果表明加载偏心率e/B对埋深损失有重要影响,上拔倾角对埋深损失也有一定影响。在旋转调节过程中,方形锚板同条形锚板的上拔过程以及最终埋深损失都十分接近。方形锚板的最大承载力系数约为条形锚板的1.10～1.19倍。本论文工作得到国家自然科学基金（编号:50679093,50538080,50578029）、教育部留学归国人员科研启动基金以及教育部创新团队发展计划（编号:IRT0518）的资助,在此一并表示感谢。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的意义及工程背景
• 1.2 岩土工程大变形有限元方法研究现状
• 1.3 双层地基刺入破坏问题选题意义及研究现状
• 1.4 海洋工程常用锚固基础介绍及锚板承载力问题研究现状
• 1.5 论文的研究目的和主要工作
• 2 三维RITSS大变形有限元方法
• 2.1 引言
• 2.2 三维结点节理单元
• 2.3 单元比较分析
• 2.4 三维RITSS大变形分析过程
• 2.5 三维插值技术
• 2.6 重剖分间隔、增量步长和网格密度的影响
• 2.7 算例分析
• 2.7.1 三维条形基础贯入均质黏土
• 2.7.2 方形基础贯入正常固结黏土
• 2.8 小结
• 3 方形基础在双层地基中的承载力及刺入破坏分析
• 3.1 引言
• 3.2 有限元计算模型
• 3.3 地基表面基础的承载力
• 3.4 不同埋深基础承载力小变形有限元分析
• 3.5 基础连续贯入大变形分析
• 3.5.1 承载力系数-贯入深度曲线
• 3.5.2 塑性区发展情况
• 3.5.3 土体流动机制
• 3.5.4 上层土抗剪强度值的影响
• 3.5.5 土体自重的影响
• 3.6 小结
• 4 二维条形锚板在不排水黏土中的承载力
• 4.1 引言
• 4.2 有限元计算模型
• 4.3 小变形有限元计算结果分析
• 4.3.1 条形锚板在无重均质黏土中的承载力
• 4.3.2 倾角对无重均质黏土中锚板承载力的影响
• 4.3.3 土重对锚板承载力系数的影响
• 4.3.4 水平浅埋条形锚板承载力系数简化计算方法
• c和极限承载力系数N_c^*的影响'>4.3.5 正常固结黏土非均质度对锚板承载力系数N_c和极限承载力系数N_c^*的影响
• 4.3.6 条形锚板承载力设计值计算步骤
• 4.4 大变形有限元计算结果与分析
• 4.5 小结
• 5 三维倾斜圆形和方形锚板在均质黏土中的承载力
• 5.1 引言
• 5.2 有限元计算模型
• 5.3 计算结果与分析
• 5.3.1 承载力系数
• 5.3.2 倾角对承载力系数的影响
• 5.3.3 板周土体流动机制
• 5.3.4 板周土体塑性区
• 5.3.5 锚板应力分布
• 5.3.6 水平浅埋圆形和方形锚板承载力系数简化计算公式
• 5.4 小结
• 6 锚板上拔旋转调节过程三维大变形分析
• 6.1 引言
• 6.2 有限元计算模型
• 6.3 计算参数测试
• 6.3.1 计算精度考察
• 6.3.2 计算步长和重剖分间隔的选取
• 6.4 大变形计算结果与分析
• 6.4.1 典型荷载-位移曲线及土体流动机制
• 6.4.2 锚板加载偏心率对埋深损失的影响
• 6.4.3 上拔倾角对埋深损失的影响
• 6.5 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 本文课题进一步研究方向展望
• 参考文献
• 附录A 主要符号说明
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文及参与课题情况
• 致谢