平面应变条件下的土拱效应

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1、第33卷增刊1岩土工程学报Vol.33Supp.12011年.8月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringAug.2011平面应变条件下的土拱效应路德春，曹胜涛，杜修力，张佩(北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京100124)摘要：采用试探应力反馈算法，编制有限元子程序，将土的应力路径本构模型嵌入ABAQUS，通过对三轴压缩和三轴拉伸试验问题的数值模拟，验证了子程序的精度。基于土的应力路径本构模型，利用二次开发后的ABAQUS对轴对称小直径圆形基坑的开挖过程进行了三维有限元分析，研究了中主

2、应力和小主应力方向的变化过程，以及平面应变条件下由中主应力引起的土压力拱的作用规律。关键词：平面应变；拱效应；应力路径；中主应力；本构模型中图分类号：TU43文献标识码：A文章编号：1000–4548(2011)S1–0454–05作者简介：路德春(1977–)，男，博士，副教授，主要从事强度理论与土的本构模型、岩土地震工程等方面的研究与教学工作。E-mail:dechun@bjut.edu.cn。SoilarchingeffectunderplanestrainconditionLUDe-chun,CAOSheng-tao,DUXiu-li

3、,ZHANGPei(KeyLabofUrbanSecurityandDisasterEngineering,MinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:Byusingthetrialstressreturnmappingalgorithm,auser-definedmaterialsubroutine(UMAT)oftheconstitutivemodelofsoilconsideringcomplexstresspathisco

4、mplied.TheprecisionoftheUMATistestedbysimulatingtriaxialcompressiontestsandtriaxialextensiontestsbasedonABAQUS.Three-dimensionalfiniteelementanalysisofexcavatingsmalldiameteraxisymmetricroundfoundationiscarriedoutbymeansofthesecond-developedABAQUSwiththeUMAT.Thevariationsof

5、theintermediateprincipalstressandtheminimumprincipalstressandthelawsofsoilarchcausedbytheintermediateprincipalstressundertheplanestrainconditionarestudied.Keywords:planestrain;archingeffect;stresspath;intermediateprincipalstress;constitutivemodel0引言如ABAQUS，FLAC，嵌入的土的本构模型大都是

6、摩土拱效应在岩土工程中广泛存在，正确认识与合尔—库伦模型，剑桥模型等。摩尔—库伦模型在模拟理利用土压力拱可有效地控制围岩变形、地面沉降以拱效应时的主要缺点在于：①没有考虑中主应力的影及支护结构上的土压力。国内外学者对拱效应进行了响，不能合理分析开挖过程土体变形的三维受力条件，大量的研究，认为土压力拱是由于土体的不均匀位移并且开挖面处三个主应力的大小关系不易确定，导致引起的，土拱的形成改变了土体中力的传递路径，引模型使用不便；②不能合理考虑土的剪胀特性；③模起应力的重分布，并把作用于拱后或拱上的压力传递型屈服面为锥形，静水压力p=(σ1+σ2+

7、σ3)3增大，222到拱脚及周围稳定的介质中去。剪应力q=(σ1−σ2)+(σ2−σ3)+(σ3−σ1)2变化不土压力拱的形成，可以是大主应力传递路径的改大时，应力路径在锥形的内部移动，不能计算该路径变，由重力在竖直方向形成的拱，如隧道开挖，也可下土的塑性变形。剑桥模型在模拟隧道开挖时的主要以是中主应力传递路径的改变，由侧向土压力在水平缺点在于：①盖帽屈服面，当静水应力p减小，剪应方向形成的拱，如基坑、竖井开挖。力q变化不大时，应力路径在屈服面内部移动，不能隧道、基坑开挖过程中的土拱效应都是土体为抵计算该路径下土的塑性变形；②不能考虑土的剪胀

8、特抗开挖后产生的不均匀变形而进行自我调整的一种现性；③模型通过Drucker—Prager(D—P)准则扩展到三象，同时荷载的传递路径也发生了偏离。通过数值方维应力