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用大变形有限元对土体静力触探的数值模拟

水利水运工程学报 2004年第2期 1-6页

作者：陈铁林沈珠江周成清华大学水利水电工程系北京100084 南京水利科学研究院江苏南京210029

采用大变形有限元和简单的接触面理论,数值模拟了静力触探的探入过程.比较了用弹性模型、修正的剑桥模型和砌块体模型的大变形模拟计算结果,表明考虑土体结构强度的砌块体模型的大变形模拟结果较优.

关键词：大变形有限元静力触探接触面数值模拟砌块体模型弹性模型

接触与大变形问题的Cosserat有限元模拟

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接触与大变形问题的Cosserat有限元模拟

作者：刘乐天大连理工大学

学位级别：硕士

岩土体与结构物间的相互作用问题属于典型的岩土工程问题。在岩土工程中,大变形问题和接触问题是十分常见又往往同时存在的问题,其中应变软化和应变局部化问题的发生给岩土体与结构物的接触问题和渐进破坏问题的数值模拟带来了很多困难... 详细信息

岩土体与结构物间的相互作用问题属于典型的岩土工程问题。在岩土工程中,大变形问题和接触问题是十分常见又往往同时存在的问题,其中应变软化和应变局部化问题的发生给岩土体与结构物的接触问题和渐进破坏问题的数值模拟带来了很多困难。针对此问题,本文进行了以下几方面的工作:1.使用ABAQUS有限元软件中的二次开发功能,借助ABAQUS本身的前处理环境使用Python语言实现了Cosserat-RITSS大变形方法的自动化。完成了一个能自动建模,导入模型,划分网格,修改INP文件,映射状态变量,提交计算并整理计算结果的可执行可自由定制脚本。使得需要多次重复的繁琐操作过程能一键自动运行,有效提高该方法的操作效率,实现其应用意义。2.针对原有Cosserat-RITSS方法中的映射结果精度较差的问题,将MUEM映射方法引入Cosserat-RITSS方法中,得到了比较好的效果。通过粗糙条形基础贯入问题的有限元模拟,证实该方法能有效地提升映射精度,解决由状态变量插值外推带来的收敛性和映射准确性问题,使模拟结果更为可靠。同时利用该模型进行多次数值试验,讨论该方法的使用特性和实用性。3.使用完善的Cosserat-RITSS方法进行被动土压力问题的大变形有限元模拟计算。结果证明在大变形计算中,Cosserat连续体理论的引入能有效地解决由应变软化引起的应变局部化问题,即在经典连续体模型计算中的网格依赖性问题。4.在Cosserat连续体理论框架下,考虑接触问题的非线性行为和位移模式,推导有厚度的二维四边形四节点Cosserat接触单元的有限元格式,并通过ABAQUS有限元软件进行Cosserat接触单元UEL子程序的编程开发,实现了数值模拟计算。通过算例对比,证明其正确性和有效性。5.为利于岩土体与结构物接触问题的数值模拟计算,同时克服四边形四节点单元过刚和体积自锁的问题,将开发的二维Cosserat接触单元与基于广义变分原理发展的二维四边形四节点Cosserat单元结合,通过ABAQUS有限元软件的UEL子程序实现两种用户自定义单元的同时使用。

关键词： Cosserat理论大变形有限元 MUEM映射技术接触单元广义变分原理 ABAQUS二次开发

板锚在双层黏土中埋深损失的大变形有限元分析

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防灾减灾工程学报 2023年第4期43卷 658-665,673页

作者：高鹏张雷克赵燕兵太原理工大学水利科学与工程学院山西太原030024

海洋工程中,海床土体分层现象对吸力嵌入式板锚(SEPLA)在海床中的旋转调节过程有着不可忽视的影响。基于耦合的欧拉‑拉格朗日(CEL)法,建立起用于分析板锚在双层黏土中埋深损失的有限元模型。通过与已有离心机试验及数值计算结果对比,验... 详细信息

海洋工程中,海床土体分层现象对吸力嵌入式板锚(SEPLA)在海床中的旋转调节过程有着不可忽视的影响。基于耦合的欧拉‑拉格朗日(CEL)法,建立起用于分析板锚在双层黏土中埋深损失的有限元模型。通过与已有离心机试验及数值计算结果对比,验证模型的有效性。在板锚初始埋深不变的情况下,考察不同系缆点距上下层土体分界线距离(d)及强度比(s_(u1)/s_(u2))对板锚在双层黏土中埋深损失的影响,通过分析板锚周围土体的流动机制,明确了锚在双层黏土中埋深损失增大的原因,并建立起板锚埋深损失经验公式。结果表明,在s_(u1)/s_(u2)1的双层黏土中,随着d的增大,板锚的埋深损失逐渐减小;d≤-0.5B与d≥1B时,板锚的旋转过程分别仅受上层土体与下层土体的影响。

关键词：双层黏土板锚埋深损失大变形有限元经验公式

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拖曳锚在海床中运动特性的大变形有限元分析

海洋工程 2016年第2期34卷 56-63页

作者：李培冬刘海笑赵燕兵天津大学建筑工程学院天津300072

拖曳锚由于其承载性能和深水中便于安装被广泛应用于海洋工程系泊系统中,如:适用于悬链式系泊系统的传统拖曳锚和适用于绷紧式系泊系统的法向承力锚。拖曳锚安装过程中涉及诸多运动特性:锚板运动方向、系缆点处拖曳力和拖曳角及运动轨... 详细信息

拖曳锚由于其承载性能和深水中便于安装被广泛应用于海洋工程系泊系统中,如:适用于悬链式系泊系统的传统拖曳锚和适用于绷紧式系泊系统的法向承力锚。拖曳锚安装过程中涉及诸多运动特性:锚板运动方向、系缆点处拖曳力和拖曳角及运动轨迹。基于大变形有限元分析技术耦合的欧拉-拉格朗日法,并引入缆绳方程,建立起锚-缆绳-海床土耦合作用的有限元分析模型;模拟了拖曳锚在均质和线性强度黏土中的嵌入安装过程,研究了锚板运动方向、系缆点处拖曳力和拖曳角及运动轨迹等运动特性;通过与已有的有限元分析方法及理论方法进行对比,验证了该分析模型的有效性;与已有的有限元分析方法相比,提出的分析模型有效地提高了计算效率。

关键词：拖曳锚运动特性耦合的欧拉-拉格朗日法缆绳方程大变形有限元

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考虑应变软化的锚板承载力大变形有限元分析

考虑应变软化的锚板承载力大变形有限元分析

作者：张新全大连理工大学

学位级别：硕士

已有关于锚板承载力系数的研究成果大多没有考虑土体的应变软化,而实际工程中的锚板基础不仅受到静荷载的作用,还会受到风浪流等循环荷载的作用。在循环荷载作用下,土体塑性应变的不断积累而产生应变软化,导致锚板的承载力下降。在旋转... 详细信息

已有关于锚板承载力系数的研究成果大多没有考虑土体的应变软化,而实际工程中的锚板基础不仅受到静荷载的作用,还会受到风浪流等循环荷载的作用。在循环荷载作用下,土体塑性应变的不断积累而产生应变软化,导致锚板的承载力下降。在旋转调节过程中锚板周围土体发生较大的变形而产生应变软化,在锚板完成旋转调节后其承载力的减少是一个值得研究的问题。海洋平台一般由多个锚板锚固,当一个锚板失稳而向上拔出一段距离时(周围土体发生应变软化)还能够继续提供的承载力,对评价整个海洋平台还是否稳定具有重要的意义。许多工程实际问题中都伴随着应变软化对锚板承载力的影响,这就需要对考虑应变软化的锚板承载力系数进行研究。首先,通过欧拉—拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)大变形有限元对不考虑应变软化的T形触探仪(T-bar)承载力系数进行计算,其计算结果与已有塑性理论解和RITSS (remeshing and interpolation with small strain,即在小变形有限元的基础上通过网格重剖分和应力插值技术实现大变形有限元分析)的计算结果均吻合较好,验证了CEL计算模型的可靠性。在ABAQUS有限元平台的基础上进行二次开发,编写应变软化子程序计算出考虑应变软化的T-bar承载力系数,其计算结果与RITSS吻合较好,验证了应变软化子程序的可靠性。对T-bar周围土体的软化程度和流动破坏机制分析发现,应变软化使土体抗剪强度减小的同时还改变了土体的流动破坏机制,这两个因素的综合作用导致应变软化作用下T-bar的承载力系数减小其次,采用CEL研究了应变软化对条形锚板和方形锚板承载力系数的影响,分析应变软化作用下条形锚板的抗力-位移曲线发展规律,研究了锚板周围土体的软化程度和流动破坏机制变化规律,揭示了应变软化效应对锚板承载力系数的影响机理,得到了不同软化参数下考虑应变软化的条形锚板承载力公式和方形锚板承载力公式。最后,深海软黏土因很难取得高质量土样,与软黏土应变软化有关的参数(应变软化参数)不能直接从试验获取。本文采用英国进口高岭土固结成样模拟海洋软黏土地基进行了T-bar和条形锚板的在离心机中的循环贯入拔出触探试验,并探讨了一种方法来根据T-bar抗力评估黏土的应变软化参数。

关键词：应变软化大变形有限元 T形触探仪条形锚板方形锚板离心机模型试验应变软化参数

双层黏土中吸力嵌入式板锚旋转过程的大变形有限元分析

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双层黏土中吸力嵌入式板锚旋转过程的大变形有限元分析

作者：高鹏太原理工大学

学位级别：硕士

随着石油、天然气等石化资源的开发逐渐挺进深海,大型海洋浮式作业平台的生产运行面临着诸多环境与技术挑战。锚固系统作为海洋浮式作业平台的重要组成部分,承担着保护平台安全运行的关键任务。在众多的锚固结构中,吸力嵌入式板锚(Sucti... 详细信息

随着石油、天然气等石化资源的开发逐渐挺进深海,大型海洋浮式作业平台的生产运行面临着诸多环境与技术挑战。锚固系统作为海洋浮式作业平台的重要组成部分,承担着保护平台安全运行的关键任务。在众多的锚固结构中,吸力嵌入式板锚(Suction Embedment Plate Anchor-SEPLA)具有安装成本低、定位准确以及可回收利用等优点,具有广阔的发展前景。板锚在定向安装至目标深度之后,通过张紧系泊缆绳调整板锚的位置,使之与缆绳垂直,实现法向承载与板锚的抗拉能力最大化,该过程称为板锚的旋转调节过程。板锚在上拔过程中,势必会带来锚板中心点埋深的损失,从而降低板锚的承载能力,最终影响海上平台的稳定性。因此,对板锚旋转调节过程所造成埋深损失以及其承载力特性的研究具有重要的工程意义与科研价值。目前,对SEPLA的旋转调节过程研究主要集中在单层均质土或正常固结黏土中,而在实际的海洋环境中,海床构造复杂,常常会出现土体分层的现象,海底沉积物通常包括不同厚度和性质的离散层。现阶段对板锚在双层甚至多层黏土中的运动特性研究相对较少,迫切需要可靠高效的数值分析技术对板锚的运动特性进行研究。本文以吸力嵌入式板锚(Suction Embedment Plate Anchor-SEPLA)为研究对象,借助ABAQUS有限元软件,采用大变形有限元分析技术——耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)法,对板锚在不同初始埋深h、不同土层强度比s/s以及不同系缆点距土体分界线距离d的双层均质黏土中的旋转调节特性进行了研究。得到埋深损失与承载力的变化规律,并与板锚在单层土体中的结果进行对比,以期获得对工程应用有益的规律及结论。并最终建立起计算板锚埋深损失和极限抗拔承载力系数的经验公式。本文的主要工作如下:(1)选择分析方法并完成模型验证针对土体发生破坏时的特殊性以及对计算结果精确性的要求,选用大变形有限元分析技术CEL法,并构建相应的有限元模型。通过与两个经典试验的计算结果对比,验证CEL法的有效性。(2)分析不同初始条件下板锚的旋转调节特性在不同的初始埋深下,考察不同系缆点距上下层土体分界线距离d及强度比s/s对板锚在双层均质黏土中埋深损失与极限抗拔承载力的影响,通过分析板锚周围土体的流动机制,明确了板锚在双层均质黏土中旋转特性变化的原因。(3)提出板锚在双层均质黏土中埋深损失与极限抗拔承载力系数的经验公式对168组工况的计算结果进行拟合,得出板锚埋深损失与极限抗拔承载力系数的经验公式。后续又设计了18组计算工况来验证公式的精确性和适用性,计算结果的最大平均相对误差为6.8%。

关键词：双层黏土埋深损失极限抗拔承载力大变形有限元经验公式

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未胶结钙质砂中表面基础承载力研究

中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第2期54卷 114-120页

作者：张永涛王晓丽陈培帅罗会武王栋裴会敏中交第二航务工程局有限公司湖北武汉430040 交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心湖北武汉430040 中国人民解放军海军北海工程设计院山东青岛266011 中国海洋大学环境科学与工程学院山东青岛266100

本文针对南海未胶结钙质砂开展室内表面基础模型试验、大变形有限元模拟和三轴排水试验,获得钙质砂承载特性与力学性质。通过进行室内模型试验,获得松砂和中密砂中反力-位移曲线,且发现基础周围颗粒破碎不明显。然后采用商业软件Abaqus... 详细信息

本文针对南海未胶结钙质砂开展室内表面基础模型试验、大变形有限元模拟和三轴排水试验,获得钙质砂承载特性与力学性质。通过进行室内模型试验,获得松砂和中密砂中反力-位移曲线,且发现基础周围颗粒破碎不明显。然后采用商业软件Abaqus中的大变形有限元模块耦合欧拉-拉格朗日(CEL)开展表面基础有限元计算,本构模型采用摩尔-库伦模型,本构参数通过三轴排水试验确定。有限元模型经室内模型试验结果验证可靠后,开展变参计算,探究基础尺寸和土体相对密实度对表面基础承载力的影响。结果表明,表面基础承载力随基础直径增加而增大,满足幂函数变化规律,进而给出了容许承载力和极限承载力随基础直径变化的预测公式。

关键词：钙质砂表面基础模型试验颗粒破碎大变形有限元

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考虑黏土非线性特性的锥尖系数小孔扩张计算方法

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岩土工程学报 2024年第S02期46卷 67-71页

作者：林毅峰朱俊霖俞剑黄茂松校建东中国长江三峡集团有限公司湖北武汉430014 上海勘测设计研究院有限公司上海200335 同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

当前规范中根据静力触探结果解释黏土不排水剪切强度采用的是推荐的锥尖系数,但该系数存在经验性取值的问题,更重要的是当前锥尖系数均是基于理想弹塑性土体模型导得,未考虑土体应变应变的非线性特性。为此,首先在ABAQUS有限元软件中模... 详细信息

当前规范中根据静力触探结果解释黏土不排水剪切强度采用的是推荐的锥尖系数,但该系数存在经验性取值的问题,更重要的是当前锥尖系数均是基于理想弹塑性土体模型导得,未考虑土体应变应变的非线性特性。为此,首先在ABAQUS有限元软件中模拟了圆锥贯入过程,评估锥尖阻力qc,饱和黏土采用双曲线硬化弹塑性模型,并使用ALE重划分技术防止网格发生畸变。有限元结果表明:土体刚度、锥面粗糙度和破坏准则等因素均影响着锥尖系数。同时在有限元中模拟了不排水圆孔扩张过程,得到球孔扩张极限承载系数的表达式。随后建立了锥尖阻力与球孔极限扩孔压力之间的等效换算关系,最后对工程实例进行了计算分析。

关键词：静力触探大变形有限元小孔扩张锥尖系数软黏土

高压静力触探试验标定密实砂土的相对密实度（英文）

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土木与环境工程学报(中英文) 2024年

作者：韩锋王栋史忠国中国海洋大学海底开发与保护山东省工程研究中心

高应力水平下深部密实石英砂层中的静力触探原位试验或模型试验数据极少，难以建立静力触探试验结果与深部密实砂层工程性质间的相关性。进行高压标定罐试验，以砂雨法制备相对密实度为74%～91%的密实砂样，在0.5～2.0 MPa的高应力水平... 详细信息

高应力水平下深部密实石英砂层中的静力触探原位试验或模型试验数据极少，难以建立静力触探试验结果与深部密实砂层工程性质间的相关性。进行高压标定罐试验，以砂雨法制备相对密实度为74%～91%的密实砂样，在0.5～2.0 MPa的高应力水平下开展标定罐中的静力触探试验。采用修正摩尔库伦本构模型描述高应力水平下密实石英砂的应力-应变响应，并纳入任意拉格朗日-欧拉大变形有限元方法，对静力触探试验进行数值模拟。这种大变形方法能够有效避免锥尖周围土体网格的严重扭曲，保证计算收敛。数值模拟与标定罐试验结果基本吻合，证明了大变形分析的可靠性。总结试验和数值数据，发现锥尖贯入阻力是砂土相对密实度和所处应力水平的函数，且仍可采用低应力水平下函数表达基本形式。进而进行充分数量的变动参数分析，拟合给出了高应力水平下密实石英砂相对密实度预测公式中的参数。将公式预测结果与已有标定罐试验结果对比，发现预测效果较好，相对误差小于30%。

关键词：深部石英砂密实砂土静力触探高应力水平标定罐大变形有限元