地下连续墙深基坑开挖全过程的三维流—固耦合数值模拟

发布时间：2019-11-19 22:27

【摘要】：在拥挤的城市中进行深基坑开挖工程,为了保护周边环境和设施安全,精确可靠的设计计算方法是不可缺少的。在众多的基坑工程设计方法当中,有限元法的使用最为广泛。经验表明,有限元法在预测挡土结构的变形及内力方面比较准确,但在预测开挖区外地表的沉降方面则仍有待改进。为了提高有限元法模拟分析深基坑开挖工程的准确性,本文采用8结点6平面三维空间单元,从完善计算方法着手,透过对应力场和渗流场进行完全耦合作用分析,对土体本构模型、地下水渗流、施工全过程、土与挡土结构的共同作用等主要影响因素进行深入研究,利用自行编写的Visual C++计算程序作分析,计算得出了与实测比较接近的分析结果。论文的主要研究工作概括如下:1.选用弹塑性土力学模型及以应变作表述的渗透系数,进行应力场与渗流场完全耦合作用分析。2.通过以Duncan-Chang双曲线E-B模型的弹性变形特性去表示修正Cam-Clay模型的弹性特性参数?,将两模型结合起来形成新的弹塑性模型,新模型无需预设E和μ,能反映土体弹性特性随围压σ3变化的情况。3.利用单元结点水头值变化引起水浮力变动的关系,得出了渗流场中土体的容重不再为常数的结论,并推导出单元容重的计算方法。4.针对地下水自由面穿过单元而形成的以自由面及单元表面为边界的三维积分、及以自由面为边界的二维积分两项计算难题,提出采用坐标变换和等参变换技术去改造其积分边界及被积函数,使积分边界的上、下限符合高斯数值积分的格式化要求,从而可利用高斯数值积分求出其精确的数值解,有助于改善求解方程过程中解的振荡。5.严格地引用材料刚塑性理论,推导出一种破坏后不再考虑各应力之间耦合作用的三维空间有厚度接触面模型,并引入“综合破坏点”概念来表述最早出现破坏的应力点位置,最后,通过对大型单剪试验作数值模拟,验证了可透过数值方法去找出土体与结构出现接触面破坏的位置。6.通过对地下连续墙每一槽段从成槽到浇注混凝土整个过程的模拟分析,除了得到更切合实际的“初始”应力状态外,还检视了槽段施工给开挖区外地表沉降带来的影响,发现靠近槽段的地表沉降较大,此现象与基坑开挖引致地表沉降的模式不同,而将两者叠加起来,则比较符合实测的结果。7.在对弹塑性材料通过迭代作线性化处理时,参考中点刚度法求取应力中点的做法,利用应力增量中点处的弹塑性刚度矩阵[Dep]1去求取试探应力,此方法可大幅度地降低不平衡应力的值,减少迭代的次数。8.针对耦合矩阵给整体固结有限元方程系数矩阵带来的不对称问题,提出使用迭代法,先计算应力场部分方程,然后再计算渗流场部分方程,并使用“1范数非主元修正双重预处理器”结合ICCG法去计算两部分的线性方程组。
【图文】：

第 2 章 渗流-应力耦合分析的基本原理及有限元模拟步考虑，孔隙水和土骨架通过压缩条件和连续条件进行耦合。因此模型需引入土体的总应力平衡方程、本构关系(也称物理方程)、几效应力原理、孔隙流体平衡方程、连续性方程等控制方程，并可按作用方式的不同分为应力场控制方程和渗流场控制方程，它的未知移变量外，还包括有孔压变量，而且各变量还与空间和时间因素有应力场控制方程载作用下，土体将产生应力，土骨架将发生位移或运动，而描述和位移就是应力场控制方程，它由土体的总应力平衡方程、本构关、有效应力原理组合而成。 总应力平衡方程及有效应力原理

流通过同一断面的流量相等；(2)在某断面上的压力及水头与水头相等；(3)在多孔介质中运动时所受到的阻力等于真实水满足这些条件的假想水流被称为渗流水流，简称渗流，假想区域被称为饱和区或渗流场[44]。应当指出，，假想水流中的流流速是不相等的，两者的质量也是不相等的，而作出此假想渗流当作连续水流来作研究。控制方程是根据水力学中的渗流模型理论来建立的，它由孔连续性方程两组控制方程联立组成。孔隙流体平衡方程和区内的土微元体，作用在它上面的力有孔压 u、重力引起的密度)、渗流惯性力、土骨架对孔隙水所施加的渗流阻力、的惯性力等。在一般情况下，土体内水渗流的流速很小，因略不计，另外，若进一步忽略土体运动时所产生的惯性力，程可转化为 Darcy 定律。
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU753


本文编号：2563268