有限元解Biot固结方程时初始参数选取方法的研究.pdf

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1、探讨与分析GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVOL.11No.3有限元解Biot固结方程时初始参数选取方法的研究张继周缪林昌(东南大学岩土工程研究所)摘要针对初始参数对有限元Biot固结方程解的影响,分别分析了用前期固结压力计算初始模量和直接用实测值作为初始模量对结果的影响程度,通过实例,对比了两种方法的优劣。提出了用实测初始迭代模量取代用邓肯-张模型计算初始迭代模量的方法。关键词沉降计算Biot固结理论有限元土性参数沉降问题是岩土工程所要首先解决的重要问题固结平面有限元程序,该程序曾成功应用于三峡工[7]之一。随着岩土工程学科的发展,根据不同的假设程二期围堰受

2、力分析。程序中用总水头代替超[1]条件,人们推导出了各种各样的沉降计算方法。静孔压使计算具有普遍意义,可以考虑分级加荷,采其中,Biot固结理论是Biot于1941年首次基于严格用回弹模量的条件为同时满足R1-R3<(R1-R3)0固结机理推导的能准确反映孔隙压力消散与土骨架和S

3、t固结理论考虑了土骨架变形局部荷载的饱和地基进行固结有限元计算分析。图[3]与孔隙水渗流之间的耦合,是三维固结理论。并1是位于不透水基岩上已固结完成的有限厚粘土且,伴随着计算机技术的发展和有限元求解Biot固层,土层厚度为12m。在宽度为B=6m的范围内受[4~6]结方程的实现,其在工程界得到了普遍的应用。集度为q=20kPa的均布荷载,荷载一次性施加,土在进行有限元求解Biot固结方程时,采用增量层材料的主要物理力学参数值如表1所示。迭代法,可以考虑荷载逐级施加;结合非线性本构模型,如邓肯-张模型,可以考虑材料非线性。然而,在进行非线性计算时,应力应变矩阵中的弹性常数决定于应力状态

4、,那么在计算时首先就要确定加荷前的初始应力状态,因为第一步迭代时所需的弹性常数决定于该应力状态。基于此,目前有两种观点,一是根据土的自重应力或前期固结压力由邓肯-张[3]模型计算初始弹性常数;二是直接用现场或室内图1土层部面试验测得的土的弹性常数作为计算初始值。两种方法谁好谁坏,或者两种方法有没有统一性,以及各种表1土层材料的主要物理力学参数值方法中初始弹性常数的变动对计算结果的影响有多C/kN#m-3U/(b)c/kPaRf大,目前研究成果尚不多见,本文即致力于这方面研18.21410.00.95KNGF究。3550.590.470.23dKk/m#d-1k/m#d-1urxz1模

5、型及程序2.064558.64E-38.0E-31.1计算程序及处理方法土层计算宽度取为2h,即24m,根据土层实际本文基于河海大学殷宗泽编制的非线性Biot情况,上边界为透水边界,下边界为不透水边界。左1收稿日期22007-8-0934岩土工程界第11卷第3期探讨与分析右边界上的孔压应当为渐变过渡,但本文将土层的为此,本文针对图1中所示模型,根据不同的前计算宽度取得较大,故将左右边界处理成不透水边期固结压力进行了有限元计算,前期固结压力按不界,对主要区域的分析影响不大。由于结构的对称同层网格中心点处自重应力取值。图3表示不同前性,故取一半进行分析。沿X轴方向划分为9个长期固结压力下

6、基础中心点以下不同深度处的最终沉度段,沿Z方向划分为6层,单元类型采用四边形降量;图4表示不同前期固结压力下,荷载施加15单元,共70个结点,54个单元,有限元网格划分如天时基础中心点以下不同深度处的孔压值。同时,图2所示。为了比较,本文也将各层网格的前期固结压力按网格深度不同取不同的值进行了计算,其最终沉降量与各种不同前期固结压力下的最终沉降量如图5所示。1.3FLAC分析结果为了验证分析结果的正确性,便于对结果进行对比分析,本文首先对以上实例用FLAC软件进行了分析。为了对比的可靠性,FLAC分析时采用与图2相同的网格划分形式,材料参数按表1进行取值。同时为了考虑各种情况下的沉降

7、值,笔者还在不同的前期固结压力(取不同层网格中心的自重应力)下用邓肯-张模型计算得到了不同弹性模量,以此计算了该实例基底中心处的最终沉降量。相应的取值及计算结果如表2所示。表2FLAC计算结果前期固结压力/10kPa1.825.469.5012.7416.3820.02最终沉降量/cm3.1792.8202.3172.0521.8641.435由图3和图4可以看出,固结沉降量和超静孔压随深度的变化情况符合客观实际,且在不同的前2前期固结压力对计算结果的影响