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岩土工程仿真中接触单元和相关参数研究

董必昌  
【摘要】:在土木工程界,存在着大量的介质非连续性问题,例如土与结构之间的相互作用问题、介质内部的间断面问题等等。作为一种非连续介质单元,接触单元因此成了当今土木工程界研究的热点之一。本文对土木工程的两个重要研究领域——复合地基与边坡进行了仿真研究,尝试将接触单元引入其中,得出了一些有价值的规律。主要内容如下: (1)有限元中接触单元的力学机理及计算方法研究。对接触单元的研究现状、单元类型及本构模型进行了全面综述。在接触单元的力学机理方面,从接触界面条件、Coulomb摩擦类型和接触界面条件的弱形式等三个方面对接触单元的算法进行了详细的研究。指出接触问题的关键在于接触体间的相互关系,此关系又可分为接触前后的法向关系与切向关系。在法向与切向关系上,讨论了两种方法:罚函数法与拉格郎日乘子法各自的优缺点以及结合二者长处的扩展拉格郎日乘子法的优越性。 (2)对复合地基仿真中接触单元的参数进行了研究,得出了参数取值的一般规律并进行了实例验证。实例验证的结果证实了桩土之间采用接触单元,土体模量考虑土体结构性而取变形模量时,能取得较为理想的结果。 (3)运用接触单元,对复合地基沉降影响因素进行了数值仿真,全面研究了桩土垫层各种参数对复合地基沉降影响的规律。通过分析,得出以下结论:1)对于某些接触界面光滑,刚度较大的刚性桩复合地基而言,用无厚度接触单元可以有效地模拟桩土之间的滑移作用。2)在影响复合地基沉降的诸多因素中,影响最大的是土的压缩模量和土的内聚力。3)土的内摩擦角,桩的弹模、半径和长度以及垫层弹性模量对复合地基沉降的影响也很显著。4)其他因素,诸如土和垫层的泊松比等对沉降仅有较小的影响。 (4)对作者给出的复合地基沉降计算公式通过工程实例计算及数值仿真,进行了验证。用给出的CFG 桩沉降计算公式,通过选取适当的参数, 对某工程实例进行了沉降计算,并进一步对其进行了数值仿真。通过在桩与周围土体之间设置接触单元来处理二者之间的位移不协调性,得到的模拟值与计算值较为一致。结果证实了该沉降


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