最新岩土工程数值计算ppt课件.ppt
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1、岩土工程数值计算岩土工程数值计算20112011参考文献参考文献计算土力学计算土力学 上海科学技术出版社上海科学技术出版社 朱百里朱百里土工计算机分析土工计算机分析 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社 龚晓南龚晓南土工数值计算土工数值计算 中国铁道出版社中国铁道出版社 钱家欢钱家欢土工原理与计算土工原理与计算 水利电力出版社水利电力出版社 钱家欢钱家欢岩土工程有限元分析理论与应用岩土工程有限元分析理论与应用 科学科学出版社出版社 谢康和谢康和Finite element analysis in geotechnical engineering David M.Potts 4 4 总刚的存储总
2、刚的存储l 一维变带宽存储一维变带宽存储由由于于整整体体刚刚度度矩矩阵阵具具有有对对称称性性、稀稀疏疏性性和和带带状状性性,采采用用变变带带宽宽下下三三角一维存储。角一维存储。DO 20 I=1,NP DO 20 J=1,JA NX=JA*(I-1)+J M=INE(I)20 MA(NX)=IWU(M,J)M=NP*JA DO 60 I=1,M K=MA(I)IF(K.LE.0)GOTO 60 DO 40 J=1,M L=MA(J)IF(L.EQ.0.OR.L.GT.K)GOTO 40 II=IDK(K)+L-K TK(II)=TK(II)+EK(I,J)40 CONTINUE 60 CONT
3、INUE将某一单元的将某一单元的KeKe集整到劲度矩阵集整到劲度矩阵KK中中l SKYLINE(轮廓线法轮廓线法)按按列列存存储储刚刚度度矩矩阵阵上上三三角角区区必必要要部部分分,按按行行存存储储下下三三角角区区中中必必要要部部分分。对对刚刚度度矩矩阵阵中中出出现现少少数数非非常常长长的的列列的的情情况况下下,存存储储要要求求不不会会剧剧烈烈增增加,很容易利用向量点积例行程序。加,很容易利用向量点积例行程序。K11 k12 k22 k13 k23 k33 k14 k24 k34DO 355 K=1,4 NRCC=3*(K-1)NR=NQ(NOD(K,IX)-1 DO 350 M=1,2+IFL
4、OW NRCC=NRCC+1 NR=NR+1 IF(ICODE.LT.2)THEN LENNC=(LOCC(NR)-LOCC(NR-1)-1)/2 DO 345 L=1,4 NCCC=3*(L-1)NCN=NQ(NOD(L,IX)-1 DO 344 N=1,2+IFLOW NCCC=NCCC+1 NCN=NCN+1 IF(NR.LT.NCN)NN=LOCC(NCN)-NCN+NR IF(NR.EQ.NCN)NN=LOCC(NR)IF(NR.GT.NCN)NN=LOCC(NR)-LENNC-NR+NCN S(NN-ISHIFT)=S(NN-ISHIFT)+C1(NRCC,NCCC)344 CON
5、TINUE 345 CONTINUE ENDIF SL(NR)=SL(NR)+ZY(NRCC)350 CONTINUE 355 CONTINUE(NCN,NR)(NR,NCN)5 5 边界条件的引入边界条件的引入l 划划 0 置置 1 法法:处理处理 ui=0 约束约束l 乘大数法:乘大数法:处理处理 ui=R 约束约束将将总总刚刚相相应应的的主主对对角角元元素素改改为为1 1,将将对对应应的的行行、列列其其它它元元素素改改为为0 0。将将荷荷载载向向量量中中相相应应的的元元素素改改为为0 0。或或预预先先将将每每个个节节点点的的方方程程编编号号,已已知知位移的节点不编号。位移的节点不编号。将
6、将总总刚刚相相应应的的主主对对角角元元素素置置一一大大数数,将将荷荷载载向向量量中中相相应应的的元元素素改改为为该大数乘该大数乘 R R。l 初等变换法:初等变换法:处理处理 两个变量有确定关系两个变量有确定关系如如轴轴对对称称问问题题,可可以以取取一一夹夹角角为为扇扇形形区区计计算算。在在斜斜对对称称ABAB边边上上的的点点只能沿只能沿ABAB上移动,所以点上移动,所以点C C上的点的位移有上的点的位移有使使用用初初等等变变换换法法消消除除一一个个相相关关方方程程,若若消消除除对对应应的的方方程程,可可以以将将所所在在的的行行乘乘tgtg 加加到到 u u 所所在在的的行行,并并将将所所在在
7、的的列列也也乘乘tgtg加加到到 u u 所在列上去。所在列上去。JP(1):NODE NUMBERJP(2):X-DIRECTION RESTRAIN INFORMATIONJP(3):Y-DIRECTION RESTRAIN INFORMATION JP(1)=I3/100 K3=I3-JP(1)*100 JP(2)=K3/10 K3=K3-JP(2)*10 JP(3)=K36 6 有限元法解题步骤有限元法解题步骤1 建立计算网格建立计算网格2 设定计算相关参数(计算精度、控制等)设定计算相关参数(计算精度、控制等)3 边界条件和内约束,力、位移、孔压等边界条件和内约束,力、位移、孔压等4
8、 选择单元类型、本构模型,并输入本构参数选择单元类型、本构模型,并输入本构参数5 计算结果提取、分析等计算结果提取、分析等岩土工程问题分析方法岩土工程问题分析方法 1.1.1 1.1 岩土工程问题控制方程的建立岩土工程问题控制方程的建立1 1 土体平衡方程土体平衡方程2 2 土体本构方程土体本构方程zxwwzpp3 3 土体几何方程土体几何方程4 4 土体有效应力原理土体有效应力原理5 5 孔隙流体平衡方程孔隙流体平衡方程6 6 渗流连续方程渗流连续方程zxw7 7 总控制方程总控制方程1.2 1.2 岩土工程基本分析方法岩土工程基本分析方法1 1 总应力分析法及其控制方程总应力分析法及其控制
9、方程总总应应力力分分析析法法与与一一般般固固体体力力学学相相同同。从从应应用用上上讲讲,一一般般用用于于不不考考虑虑渗渗流流固固结结的的情情况况,如如饱饱和和粗粗粒粒土土地地基基、透透水水性性土土料料组组成成的的土土坝坝路路堤堤的的应应力力和和变形分析以及饱和软粘土地基短期变形和稳定性分析。变形分析以及饱和软粘土地基短期变形和稳定性分析。2 2 有效应力分析法及其控制方程有效应力分析法及其控制方程在在有有效效应应力力分分析析法法中中,土土体体的的有有效效应应力力和和孔孔压压被被严严格格区区分分,并并将将土土骨骨架架变变形形与与孔孔隙隙水水的的渗渗透透同同步步考考虑虑。因因此此,有有效效应应力力
10、分分析析法法较较能能更更真真实实地地反反映土体的自身特性,能更合理地计算土体对载荷的响应,应用范围更广。映土体的自身特性,能更合理地计算土体对载荷的响应,应用范围更广。有有效效应应力力分分析析法法尚尚需需要要有有效效应应力力原原理理和和连连续续性性方方程程。总总应应力力法法中中只只有有位位移移变变量量且且仅仅与与空空间间有有关关,而而有有效效应应力力法法中中还还有有孔孔压压变变量量,而而且且与与空空间间和和时间均有关。时间均有关。3 3 总应力分析法总应力分析法和和有效应力分析法有效应力分析法关系关系总总应应力力法法是是有有效效应应力力法法中中当当孔孔压压p=0p=0时时的的特特殊殊形形式式。
11、在在有有效效应应力力分分析析中中如如果果采采用用与与总总应应力力分分析析相相同同的的土土工工参参数数,并并令令孔孔压压p=0p=0,所所得得结结果果即即为为总应力分析结果。总应力分析结果。总总应应力力分分析析一一般般采采用用土土体体得得不不排排水水指指标标,由由此此进进行行的的是是加加荷荷瞬瞬时时或或短短期期应应力力和和变变形形分分析析。但但也也可可采采用用土土体体的的排排水水指指标标,此此时时进进行行的的是是最最终终或或长长期期应应力力和和变变形形分分析析。当当进进行行线线弹弹性性分分析析并并采采用用排排水水指指标标,总总应应力力分分析析得得到到的结果为有效应力分析的最终(孔压消散完毕、主固
12、结完成)结果。的结果为有效应力分析的最终(孔压消散完毕、主固结完成)结果。4 4 不排水孔压计算不排水孔压计算有效应力原理有效应力原理其中其中孔压增量孔压增量不仅使孔隙流体压缩,也会引起土颗粒的体积压缩。相应的不仅使孔隙流体压缩,也会引起土颗粒的体积压缩。相应的有效应力增量也会引起土颗粒的体积变化,然而,由于有效应力必须通过颗有效应力增量也会引起土颗粒的体积变化,然而,由于有效应力必须通过颗粒接触,但接触面积很小,导致体积变化也很小,如果忽略这种体积变化。粒接触,但接触面积很小,导致体积变化也很小,如果忽略这种体积变化。则总的体积变化为则总的体积变化为对于对于饱和土体饱和土体,Ks、Kf 都比
13、土骨架模量大很多,在不考虑具都比土骨架模量大很多,在不考虑具体值时(此时准确值已不重要),可假设体值时(此时准确值已不重要),可假设Kf=Ks,得得由于由于Ks比土骨架模量大很多,如孔隙流体压缩性较大,以致比土骨架模量大很多,如孔隙流体压缩性较大,以致 Ks kf,则,则对于对于排水分析排水分析,取,取 Ke=0,加载过程中孔压不变。,加载过程中孔压不变。对于各向同性线弹性土体对于各向同性线弹性土体进行进行不排水分析时,必须设置不排水分析时,必须设置Ke。据经验,对于饱和土。据经验,对于饱和土体,只要体,只要ke足够大,土体对足够大,土体对ke的实际大小并不敏感。但的实际大小并不敏感。但Ke太
14、太大时,可能导致数值不稳定,即不排水泊松比接近大时,可能导致数值不稳定,即不排水泊松比接近0.5。专家建议专家建议设置设置 ke=Kskel,在在100和和1000之间,之间,Kskel是土骨架的体积模量。是土骨架的体积模量。u=0.1=0.3100.45200.47931000.49460.497710000.49940.49981.3 1.3 岩土工程问题的边界条件岩土工程问题的边界条件1 1 固结分析中的边界条件固结分析中的边界条件对节点位移和孔压已知的情况,可以有两种处理方法对节点位移和孔压已知的情况,可以有两种处理方法(1 1)仍给以自由度编号,在解方程时把解得的位移值用已知值置换。
15、仍给以自由度编号,在解方程时把解得的位移值用已知值置换。(2 2)已知值对应的自由度均编为已知值对应的自由度均编为0 0,把代数方程区分为:,把代数方程区分为:式中,为已知的边界值。计算中只对式中,为已知的边界值。计算中只对x x1 1建立方程,即建立方程,即Displacement+pore pressure DOFDisplacement DOF其其中中,A12x2项项在在对对各各单单元元进进行行计计算算时时即即可可求求出出。在在多多数数情情况况下下,已已知知的边界值为的边界值为0 0,上式简化为,上式简化为2 2 渗流问题的边界条件渗流问题的边界条件岩岩土土工工程程种种进进行行渗渗流流计
16、计算算的的主主要要目目的的是是求求得得渗渗流流量量和和孔孔隙隙水水头头或或水水力力坡坡降降。渗渗流流边边界界可可分分为为两两类类,即即已已知知水水头头边边界界和和已已知知流流量量边边界界,分别可以表示如下:分别可以表示如下:在渗流计算中,对于在渗流计算中,对于自由面渗流问题自由面渗流问题,其,其边界条件需特殊处理边界条件需特殊处理。(1)(1)有压渗流有压渗流有有压压渗渗流流的的计计算算域域边边界界和和边边界界条条件件是是固固定定的的,可可以以很很方方便便地地应应用用有有限限元元法法计计算算。如如图图,abab和和efef为为第第一一类类边边界界,cdcd和和fafa为为第第二二类类边边界界,
17、bcbc和和eded如如果果离离所所讨讨论论问问题题的的渗渗流流区区域域足足够够远远时时,既既可可当当作作第第一一类类边边界界,也也可可当当作作第第二二类类边边界界。设设n ni i为为计计算算域域内内部部节节点点数数,nb1nb1和和nb2nb2分分别别为为第第一一类类和和第第二二类类的的节点数,节点数,nt=ni+nb2,则渗流的有限元公式可表示为:,则渗流的有限元公式可表示为:bcdeh0h=h0h=h1h1ah=h1h=h0不透水层或或f或考虑或考虑 n=nt+nb1,并去掉下标后改写为:,并去掉下标后改写为:f fi i为为i i节节点点的的净净流流出出水水量量,对对已已知知入入渗渗
18、的的边边界界点点fifi是是给给定定的的,对对内内部部节节点点和不透水边界点均为零。和不透水边界点均为零。bcdeh0h=h0h=h1h1ah=h1h=h0不透水层或或f水头求出后,通过单元中某一截面的渗流量为:水头求出后,通过单元中某一截面的渗流量为:其中其中np为单元内节点数,为单元内节点数,lx 和和 lz为计算截面在为计算截面在x x轴和轴和z z轴的投影。轴的投影。bcdeh0h=h0h=h1h1ah=h1h=h0不透水层或或f(2)(2)自由面渗流自由面渗流在在堤堤坝坝、渠渠道道和和地地下下水水渗渗流流计计算算中中,自自由由面面或或浸浸润润面面事事先先是是未未知知的的,因此计算域本
19、身是未知的。因此计算域本身是未知的。早早期期的的研研究究工工作作是是用用试试算算法法不不断断改改变变自自由由面面位位置置,直直到到计计算算结结果果满满足足如下自由面上的边界条件为止。如下自由面上的边界条件为止。(1)(2)然然后后用用新新坐坐标标进进行行下下一一轮轮计计算算,直直到到自自由由面面上上所所有有节节点点满满足足 h-z h-z pfi 流量边界Pfbpfi 孔压边界盾构隧道施工过程分析盾构隧道施工过程分析 9.E D C B APost shield lossshield lossface lossDirection of driveA cutting head and hoodB
20、 shieldC tailD unground liningE grouted lining一、隧道施工的地面响应一、隧道施工的地面响应地层损失:地层损失:由于地层向开挖面移动,额外被开挖的超过隧道体积的土体,通常用隧道体积的百分比表示。1.Gap methodgapDmDl二、隧道开挖的模拟二、隧道开挖的模拟Rowe etal 1983Initial tunnelpositionFinal tunnelpositionThe gap=Dm-D1 at the crown,and is always fixed to zero at the invert.在有限元网格中预先预先定义空隙,代表预
21、期的地层损失。通过改变空隙的尺寸,可以反映不同的隧道施工方式。空隙在隧道周围设置,因而确定了开挖前的土体边界。将隧道仰拱设在下卧土体上,在隧道拱顶规定空隙参数。gapDmDlInitial tunnelpositionFinal tunnelpositionThe gap=Dm-D1 at the crown,and is always fixed to zero at the invert.分析时,去掉开挖面周边的剪力,并监测节点位移。当节点位移达到空分析时,去掉开挖面周边的剪力,并监测节点位移。当节点位移达到空隙合拢、土体与预先定义的衬砌位置接触时,在这些节点激活土体隙合拢、土体与预先定义
22、的衬砌位置接触时,在这些节点激活土体衬砌相衬砌相互作用。互作用。2.Convergence-confinement methodinitialLining installation/unloadingExcavation/unloadingPanet and Guenot 1982设定衬砌施工前的卸载比例,因此体积损失是一个预测值。在隧道边界节点施加力矢量(1-)F0(F0 相当于土体初始应力0)初始等于0,以后逐渐增加到1 以模拟开挖过程。在规定值d时,安装衬砌,这时边界应力减小d 0,剩余应力部分新增了衬砌应力。Ee3.Progressive softening methodinitial
23、Excavation,Lining installationand unloadingStiffness reductionand unloadingE0E0Swoboda 1979通过给土体刚度乘一降低因子降低因子,使掘进头里的土体软化。当开挖力作用于未来隧道边界时,土体出现明显软化。当隧道采用台阶法施工时,每级施工都可用上述方法。4.Volume loss methodVsVs=volume of settlement troughzVL=Ve-VtVe=excavated tunnel volumeVt=final tunnel volume类似于收敛限制法,但不规定衬砌施工前的卸载比例
24、,而是规定开挖完成后的体积损失。此法用于体积损失可以预期的给定的掘进法Forces imposedBy soil to be excavatedForces imposed ontunnel boundary due to excavation F-F 计算由被开挖土体施加于隧道边界的等效节点力F0,它被线性分配到开挖发生过程的n个增量步,即F=F0/n。在开挖的每一增量步在开挖边界施加等值反向的力矢量-F。监测每一步的体积损失,在一预想的体积损失增量步施工衬砌。衬砌施工后,对于剩下的增量步,仍然在开挖周边施加载荷-F,因而在衬砌内引起初始应力。后续过程还有可能发生进一步的地层损失,这取决于衬
25、砌的刚度。因此,在小于预期地层损失的增量步安装衬砌,完成开挖后可以得到预期的地层损失。Forces imposedBy soil to be excavatedForces imposed ontunnel boundary due to excavation F-F开挖面释放荷载的计算开挖面释放荷载的计算在盾构隧道施工过程中,由于土压舱内土体压力不能完全平衡开在盾构隧道施工过程中,由于土压舱内土体压力不能完全平衡开挖面土压力,使得土体开挖面前方土体发生趋近或者远离盾构开挖面挖面土压力,使得土体开挖面前方土体发生趋近或者远离盾构开挖面的三维位移。的三维位移。现有的模拟方法是每向前开挖一步,通过
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