上海黏性土剪切带形成的数值模拟分析.docx

文章编号：1000－7598－（2007）增刊－0263－04上海黏性土剪切带形成的数值模拟分析董建国，陈祥达，袁聚云（同济大学地下建筑与工程系，上海200092）摘要：各种工程事故表明：现有的土力学计算模型均未考虑应变局部化问题，故不能解释这些工程事故的发生，因此应变局部化和剪切带形成的研究成为国际土力学界研究热点之一。数值模拟是研究剪切带形成的一个重要内容。在数值模拟中首先进行剪切带形成条件的研究，接着考虑土质不均匀性的影响，引入弱单元和强单元，进行弱单元与强单元影响力的研究。关键词：剪切带；应变局部化；上海黏性土；数值模拟；弱单元；强单元中图分类号：TU441文献标识码：ANumericalsimulationresearchontheformationofshearbandsinShanghaiclayDONGJian-guo,CHENXiang-da,YUANJu-yun(DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Becausemostprojectaccidentscannotbeexplainedbyconstitutivemodelsinwhichthelocalizationisnottakenintoconsideration,nowthestudyoflocalizationandtheformationofshearbandinsoilhavebecomeanimportantresearchfieldinsoilmechanics.Numericalsimulationisanimportantmethodresearchingintotheformationofshearbands.Inthispaper,researchisdoneontheconditionoftheformationofshearbands.Thentheformationofshearbandindifferentsituationsisanalyzedbyconsideringthenon-homogeneityofsoilandintroducingweakandstrongelements.Keywords:shearbands;localization;Shanghaiclay;numericalsimulation;weakelements;strongelements1引言随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可以采用离散化的数值计算方法，并借助计算机得到满足工程要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要动力之一。有限元法是主要模拟手段，广泛应用于岩土体的大应变的模拟研究与应用等。本文在已测得的上海黏性土土性试验参数的基础上，运用数值模拟手段，通过引入弱（强）单元的模拟方法，对上海黏性土（主要为第②层褐黄色粉质黏土）剪切带的形成过程进行数值模拟，并对剪切带的形成图形进行分析，得出一些有益的结论。注：C表示Y，Z方向均受到约束；B表示Z方向受到约束，Y方向自由。图1有限元计算模型Fig.1Finiteelementmeshes采用的有限应变的三维弹塑性模型如下：??2?σ=K?Gδδ+G(δδ+δδ)????ijkl有限元网格的划分及本构模型分析的土样与平面应变压缩试验的试样尺寸相同，为70mm×70mm×25mm，并分成5×14=70个4节点的四边形等参单元，边界及单元划分形式如图1。2ijikjlilkj3????Sij??S??Kβδ+3GKβδ+3Gkl?ij??kl??q??q??ε??kl（1）pβ?Kβ2+3G+D??收稿日期：2007-04-30基金项目：国家自然科学基金资助项目（No。作者简介：董建国，男，1941年生，教授，博士，上海市土木工程学会岩土力学及基础工程专业委员会委员，主要从事岩土工程研究和教学工作。E-mail:dongcijie@有关的本构模型参数的选取见表1。其他的材确定模拟方案及研究内容如下：料参数确定如下[1]：（1）剪切带形成条件的研究：通过在模型中引弹性体积模量为入弱、强单元以及模型完全为均匀三种情况下，来K=1+e0p′=1+0.984×0.25=6200kPa了解模型的最终变形形态，从材料方面来说明剪切k0.008带的形成条件。弹性模量为（2）弱单元与强单元影响力的研究：通过在模E=3K(1?2ν)=3×62×(1?2×0.333)=6200kPa型中的对称位置引入弱单元与强单元，来说明不同G=3(1?2v)K=3×(1?2×0.333)×62=2330kPa土性单元激发形成剪切带的难易程度。2(1+v)