有限元法模拟三轴固结排水实验及Abaqus初始应力场配置

模型概况

土体试样尺寸:高 8 cm,直径 4 cm;

土体力学参数:弹性模量 10MPa,泊松比 0.3,粘聚力 10 kPa,内摩擦角 30°;

试验荷载:围压 100kPa;

试验类型:等应变式三轴试验,竖向应变为 10%;

模拟的目标

1、等压固结完成时的应力状态

2、获得三轴试验剪切破坏时的竖向应力

模型注意事项

1、简化为轴对称问题

2、弹性阶段采用线弹性本构模型,塑性阶段采用莫尔-库伦本构模型

3、将固结完成后的应力状态作为初始状态

4、不考虑等压固结的变形

5、采用 abaqus 的 Geostatic 分析步模拟等压固结完成后的应力状态

6、采用轴对称应力单元 CAX4 ,只划分一个单元

7、剪胀角采用 abaqus 默认的最小值 0.1°

有限元模型

ss.png

注:斜体样式只划分一个单元,单元类型 :4节点线性轴对称应力单元

竖向应力与竖向应变关系

得到土体试样剪切破坏时的竖向应力为 334.6kPa,与理论计算结果一致。

ss.png

土体试样的初始应力场设置

初始应力的设置需要满足平衡条件:等效节点荷载要和外部荷载、边界条件平衡。如果达不到平衡,将不能得到一个位移为零的初始状态。此时所产生的应力场也不是所施加的初始应力场。

在本例中,等压固结完成后的应力场为:三个方向的主应力都为 100kPa。在初始步设置初始应力如下:

ss.png



在 Geostatic 分析步定义边界条件为:对称轴处 X 方向位移为零,底部 Y 方向位移为零。在顶面和右侧施加围压 100kPa。得到的初始应力场如下:

ss.png

s1.png

s2.png



对应的土体试样位移云图如下,可以判断 Geostatic 分析步未产生位移:

s3.png

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