案例52-粘土层上路堤的顺序施工

该示例问题演示了一种使用土壤分析对非线性固结进行建模的方法，其中施加到模型上的载荷是自重。

重点介绍了以下特性和功能：

• 停用和重新激活单元（生死能力）

• 二维面-面接触对单元技术

• 改良的Cam粘土材料模型

• 作为时间和高度函数的材料特性

• 土壤材料的静土平衡

介绍

筑堤（或堤防）的目的是防止邻近海洋、湖泊或河流的土地被洪水淹没，并通过挡水来支持运输。通过分阶段施工，可以修建相对陡峭的边坡和堤岸。

由于土壤和岩石基础通常表现为非线性，具有弹塑性应力-应变关系，因此基础必须具有非线性材料特性。已经开发了一些本构模型，以帮助模拟土壤和岩石的行为，例如Mohr-Coulomb, Drucker-Prager concrete, Cam-clay等。

在确定结构稳定性时，路堤重量引起的基础沉降是一个重要的考虑因素。因此，在施工前使用有限元模型检查沉降特性是有用的。

问题描述

每层1.5天，历时4.5天建造三层相等的路堤。

在每个路堤层的施工过程中，粘土层进行固结。每个路堤层的厚度为0.6 m。每一步的载荷仅包括路堤的重量和粘土层的有效自重。

粘土下面的材料是不透水的，粘土和路堤之间以及每个路堤层之间的接触区域也是不透水的。

假定路堤呈现线弹性特性。粘土层使用弹塑性Cam粘土材料模型。

建模

由于路堤层的自重是逐渐施加的，因此该问题使用两种方法来模拟物理过程：

• 情况1–使用三个接触对将每个路堤层分成六个子层（共18个子层）。需要20个加载步。

• 情况2–使用三个路堤层和三个接触对，其自重和杨氏模量随时间和高度变化。需要五个加载步。

粘土层和路堤层采用二维四节点耦合孔隙压力热单元（CPT212）进行网格划分。接触对用2-D双节点接触（CONTA172）和2-D目标（TARGE169）单元划分网格。

改进的Cam粘土塑性模型结合多孔弹性，模拟了孔隙对粘土层弹塑性行为的影响。

材料和接触属性

为金属线圈定义了线性弹性材料行为，并使用Neo-Hookean模型对聚合物管进行建模。

对于情况2，通过使物理量为位置和时间的函数（TBFIELD）实现，比重量和杨氏模量在载荷阶跃上逐渐增加。

边界条件和加载

粘土层顶面的压力边界条件最初设置为零，以形成可渗透表面。然而，当第一路堤层被激活时，粘土层和第一路堤层之间接触界面处的压力自由度被删除以形成不可渗透的边界条件。

只有当路堤层的相应单元被杀死（EKILL）时，才会限制路堤层在Y方向上的位移。当这些单元被重新激活（EALIVE）时，路堤层的零UY自由度也被删除。

当路堤层被杀死和激活时，还需要杀死和激活与其相关的接触对单元。

应用于模型的唯一载荷是自重，通过土壤分析进行模拟：

分析和求解控制

对情况1和情况2进行了地质静力分析，以确保在初始状态和粘土层内的自重之间达到平衡。

在地质静力分析结束时，总变形应为零，确认满足平衡。必须停用所有路堤层和接触单元，并且必须限制连接到这些单元的节点在Y方向上的位移。

案例1的下十八个步和案例2的下三个步是固结步，每个步对应于特定路堤层的活化。

在重新激活相应单元的同时，将删除附着到其上的节点在Y方向上的位移限制。

对于情况1，用于重新激活接触对（EALIVE）的命令仅出现在步2、8和14中。

过量孔隙压力是指当饱和土壤加载时，孔隙压力增加超过初始状态孔隙压力。由于必须检查过量孔隙压力的演变，因此输出数据进行后处理（ETABLE，SADD）。

结果和讨论

在下图中，（a）显示了粘土层顶面（路堤层下方）点1的沉降。正如预期的那样，感兴趣点的位移随着时间逐渐增加，然后在大约第200天达到稳定状态。

图（b）还显示了点2（路堤中心下方粘土层中部）超孔隙压力的时程演变。过量孔隙压力在路堤层施工期间增加，并在路堤施工结束后逐渐消散。

两种情况的结果表明沉降和孔隙压力演变的预测类似。

如下图所示，从施工开始到结束（4.5天），孔隙压力快速增加：

在280天时，孔隙压力与自重平衡。下图显示了路堤施工期间Y方向的位移：

未激活层没有位移，这意味着这些层在未激活步期间对粘土层的沉降没有影响。

还要注意粘土层的逐渐沉降。在与激活路堤层相关的1.5天固结步中，粘土层经历逐渐沉降过程（路堤下方的部分顶面逐渐下降）。

如图所示，路堤施工期间，多余孔隙压力增加：

路堤施工完成4.5天后，多余的孔隙压力逐渐消散。

建议

在执行类似类型的分析时，考虑以下提示和建议：

• 正确设置接触参数。确保接触始终接合。如果操作不当，可能会失去接触，导致刚体运动。

• 当使用生死单元（EALIVE和EKILL）时，启用大位移几何（NLGEOM，ON）。

• 使用非对称Newton-Raphson解方法（NROPT，UNSYM）和耦合孔隙压力热机械单元（本问题中为CPT212）。

• 忽略可能在地质静态求解开始时出现的接触单元状态警告。（由于接触单元被杀死，然后被重新激活，预计状态会突然改变。）