Part4-土工试验室模拟-练习

土工试验室模拟 练习 土工试验室模拟 练习 概概 述述 岩土工程中土体参数来源于一个或多个室内试验 为了得到更好的结果 需要将土层参数转化为 PLAIXS 中本构模型的输入参数 并充分考虑各本构模 型的特性和局限 PLAXIS 中大多数模型可以根据三轴或侧限等标准土工试验 获得 但是 根据模型的复杂性 建议用户不要仅是简单地采用试验室获得的 参数 而是应该实际去模拟这些试验 查看在模型局限范围内 模拟所得试验 是否能表达实际室内试验的结果 为此 PLAXIS 中添加了土工试验模块 在 该模块中无需建立有限元模型 即可用简捷的方式模拟室内试验 该练习中 将使用土工试验工具模拟砂土和粘土的侧限试验和三轴试验 目目 录录 室内试验模拟 砂土试验模拟 粘土试验模拟 附录 A 参数的确定 附录 B 土工试验工具 如何模拟侧限试验 如何模拟三轴试验 室内试验模拟室内试验模拟 本练习中 详细介绍了两种不同材料的侧限试验和三轴试验 目的是为了 确定土体硬化模型的参数 以使 PLAXIS 中模拟得到的结果与室内试验一致 简言之 1 根据已有实际室内试验结果确定土体参数 2 根据获得的参数在 PLAXIS 中进行试验模拟 3 比较 PLAXIS 试验模拟与实际室内试验得到的结果 最终确定模型的参 数 例题例题 1 砂土的室内试验 砂土的室内试验 参数确定参数确定 对砂土土样进行了侧限和三轴试验 所得结果如下图所示 根据这些曲线 确定 HS 模型的参数 并将其填写到表 1 中 注意 有一些参数并不能从所得 试验结果中获得 此时需要估计该参数 图 1 砂土侧限压缩试验 图 2 侧限压缩试验中水平应力和竖向应力的发展过程 图 3 三轴加卸载试验 围压 100kPa 图 4 三轴排水试验轴应变 体应变关系曲线 将数据收集到下列表格中 表 1 砂土土体硬化模型 HS 参数 参数单位数值 kPa kPa kPa kPa kPa 根据上述参数 在土工试验室中进行三轴试验模拟 练习练习 2 粘土室内试验 粘土室内试验 图 5 粘土侧限压缩试验 图 6 围压 100kPa 和 400kPa 下三轴不排水 CU 试验 图 7 围压 100kPa 三轴不排水 CU 试验 将土工参数收集于下表 2 表 2 砂土土体硬化模型 HS 参数 参数单位数值 kPa kPa kPa kPa kPa 根据上述参数 在土工试验室中进行三轴试验模拟 附录附录 A 参数确定 参数确定 砂土砂土 根据三轴试验确定参数 图 8 根据三轴排水试验确定刚度参数 粘聚力和摩擦角粘聚力和摩擦角 围压时 破坏时最大偏应力 莫尔 库伦破坏 准则 试样为砂土 我们假定粘聚力为 0 因此莫尔 库伦准则退化为 将和代入上式 可得摩擦角 42 三轴试验参考刚度三轴试验参考刚度 三轴试验刚度为破坏荷载 50 处对应的割线刚度 如图 8 三 轴试验中红色曲线所示 土体硬化 HS 模型中三轴试验刚度定义式为 参考应力 pref为三轴试验的围压 100kPa 则 参考卸载参考卸载 重加载刚度重加载刚度 与从三轴试验中获取参考刚度的方法类似 如果在三轴试验中 执行卸载 重加载试验 我们可以确定卸载 重加载刚度 土体硬化 HS 模型没有卸载 重加载对应的滞回行为 还是简单具备非线性弹性卸载 重加载行为 因此 如 三轴试验结果中的绿色曲线所示 我们取割线斜率作为卸载 重加载刚度 同样假定参考围压为 100kPa 不过对于卸载 重加载刚度而言 该数值偏小 因此我们取 剪胀角剪胀角 通过轴向应变 体积应变关系曲线 可以根据下式确定剪胀角 详见图 9 可以得到剪胀 角 注意 根据该图无法确定土体硬化模型的泊松比 这是因为该图达标主加 载过程中的侧限试验 而该模型中需要的泊松比为卸载 重加载泊松比 图 9 根据三轴试验确定剪胀角 侧限刚度和刚度应力相关幂指数侧限刚度和刚度应力相关幂指数 从侧限试验中 我们可以确定竖向应力和对应的刚 度 如图 10 所示 注意 为切线刚度 确保使用侧限试验加载部分 的结果 土体硬化模型中 应力相关侧限刚度定义为 则 幂指数 m 值可以确定如下 图 10 侧限刚度及幂指数的确定 正常固结正常固结 K0 数值数值 在侧限压缩试验中测量水平应力和竖向应力 得到如图 11 所示曲线 根据 该曲线可获得正常固结 K0 从加载线上 可以得到 此外 我们可以使用 Jaki 公式 图 11 侧限压缩试验中水平 竖向应力比 卸载卸载 重加载刚度重加载刚度 如果没有卸载 重加载试验数据 也可以通过侧限压缩试验确定卸载 重加 载刚度 不过 土体硬化模型卸载 重加载刚度是与围压相关 而对于侧限压 缩试验 刚度与竖向应力 即直接相关 又 pref 为 则 该数值稍有偏高 因此我们选择 表 3 砂土土体硬化模型参数表 参数单位数值 kPa30000 kPa30000 kPa90000 kPa100 0 2 kPa0 42 16 0 5 0 33 粘土粘土 粘聚力和摩擦角粘聚力和摩擦角 我们根据三轴不排水 CU 试验确定强度参数 图 12 粘土强度参数的确定 黑色虚线为 p q 平面中莫尔 库伦破坏准则 主应力空间中莫尔 库伦破坏 准则定义为 由于三轴试验中 上述条件可写为 因此 p q 平面中莫尔 库伦线定义为 根据莫尔 库伦线在纵轴 p 0 上的截距 可得到粘聚力 侧限和卸载 重加载参考刚度 根据侧限试验 可以获得侧限刚度和卸载 从加载刚度 根据对数曲线 用 户可以轻松绘制出切线 下图为砂土侧限试验所得结果 图 13 侧限和卸载 重加载刚度的确定 在主加载和卸载 重加载路径下 为直线关系 对应关系式如下 为确定刚度 我们对应变求导并转化为自然对数 在土体硬化模型中 有以下关系式 假定 c 0 可以求得模量 E 为 如果选择 pref 100kPa 则 且 卸载 重加载刚度可以使用以下方法 土体硬化 HS 模型中的依赖于最小主应力 即侧限试验中的而不 是 在卸载过程中 水平应力和竖向应力之间并不是按线性关系发展 起初卸 载应力 卸载一定程度后 因此假定在卸载过程中 土体硬化模型中 定义为 三轴试验刚度三轴试验刚度 如果只有三轴不排水试验数据 则只能获得不排水 而无法获得有效 因此估算的唯一方法 只能是通过多次运行土工试验程序 输入不 同的参考 直到得到最贴近三轴不排数试验的结果 特别地 对于正常固 结粘土 有效参考约为有效参考的 2 5 倍 这里我们可根据该经验 关系给定一个初始值 取 正常固结正常固结 K0 数值数值 如果在侧限试验中测了水平应力 则可以获得正常固结的 K0 数值 如果 没有该结果 我们可以根据 Jaky 公式估算 K0 参数 表 4 粘土的土体硬化模型参数表 参数单位数值 kPa3500 kPa1400 kPa15000 kPa100 0 2 kPa0 25 0 1 0 0 58 附录附录 B 土工试验模拟简介 土工试验模拟简介 针对土工试验模拟 PLAXIS 提供了土工试验模拟工具 该工具基于单应 力点理论 不需要有限元网格 可以快速模拟土体的行为 土工试验工具可以 从材料数据库中打开 也可以在材料数据定义中打开 见下图 14 图 14 土工试验工具 下文将通过一系列截图 一步步讲解如何使用土工试验工具模拟侧限和三 轴试验 注意 截图中的参数与本练习中没有关系 只起示意作用 如何模拟侧限试验如何模拟侧限试验 首先创建材料数据组 然后点击按钮启动该工具 此时将弹出 如下图所示窗口 图 15 土工试验主窗口 在主菜单中选择固结仪 即侧限压缩试验 标签 按下图说明设置参数 图 16 固结仪试验参数设置 计算完成后 土工试验窗口底部将显示相应的结果 用户可以双击这些曲 线进行单独查看 此外 在这里可以添加自定义图表 如图 17 所示 材料参数 可选试验类型 选择固结仪试验 体积硬化 各向同性预固结 应力剪切硬化 相对动抗剪强度 加载步骤 第一步 加载 持续时间 天 第二步 卸载 如需要 持续时间 天 应力增量 点击进行试验 图 17 查看侧限压缩试验结果 如何模拟三轴试验如何模拟三轴试验 从材料数据库或材料定义窗口点击按钮启动土工试验工具 在 主窗口中选择三轴标签 并按下图设置试验类型及参数 图 18 定义三轴试验 三轴试验运行完成后 结果将显示在土工试验窗口的底部 与侧限压缩试 右键点击空白区域选择 添加定义曲线 选择 三轴 试验 选择三轴试验类型 排水或不排水 CU 试验 压缩或拉伸试验 各向同性或 K0 固结 试验参数 围压 kPa 最大应变值 通常为 10 加载步数 默认为 100 各向同性预固结应力 kPa 相对动剪切强度 点击启动试验 验一样 通过双击某个图像即可打开独立的窗口放大显示该图像 此外 也可 以通过右键点击的方式添加用户自定义图表 三轴卸载三轴卸载 重加载试验模拟重加载试验模拟 三轴试验模拟中不允许直接进行卸载 重加载路径的试验 但该试验可以通 过 一般 试验选项来实现 在 一般 标签页下可以定义各种边界应力或应 变 下文将说明如何模拟三轴卸载 重加载试验 打开土工试验窗口 点击 一般 标签页 在该标签页下可以定义一系列 计算阶段 在每个阶段中都可以施加需要的应力或应变增量 初始阶段初始阶段 首先 我们确定试验过程中在边界上施加应力还是应变 该练习中将施加 应力边界条件 现在需要指定土样的初始应力 三轴试验初始应力为土样上的 围压 因此需要输入 及 围压通过水压施加 因此土样上没 有剪应力 详见下图所示 图 19 使用一般选项模拟三轴试验 阶段阶段 1 施加竖向应力增量 直到卸载开始时的应力水平 注意由于模拟围 压 应保持水平应力 和 等值 因此在该阶段中水平应力增量为 选择 一般 试验 选择排水或不排水试验 各向同性预固结应力 kPa 相对动剪切强度 0 初始应力 施加初始正应力 xx yy zz 围压 将边界条件设置为应力增量 表明将 进行应力控制式试验 阶段 1 加载 在 y 方向施加应力增量 kPa 此时 总竖向应力为 kPa 点击两