岩土工程中条状和板状结构的有限元分析研究

论文摘要

桩基和堤坝的防渗墙在岩土工程中应用非常广泛,这类结构物具有条状或板状形式。在工程设计中,往往关注此类结构的侧移和内力大小,特别是弯矩数值。但是有限元计算得到的是单元应力和节点位移,如何基于有限元成果计算弯矩需要深入研究。这类结构在有限元计算中也易出现位移计算值偏小的剪切闭锁现象。本文分别以悬臂梁和被动桩的计算模型为基础,研究剪切闭锁、弯矩计算、等效刚度以及矩形单元对较大长宽比的忍耐性等问题。对悬臂梁计算模型的研究采用了多种单元类型,分别计算集中力作用和均布力作用下使用梁单元和实体单元的差异。计算表明,采用Timoshenko梁单元出现了剪切闭锁,而使用Euler梁单元可避免剪切闭锁现象。对于实体单元,随着长度方向网格划分数的增加,位移和弯矩计算精度提高;截面方向网格数的增加可以提高应力计算弯矩的精度,但却可能降低位移计算弯矩的精度。使用高次减缩积分单元可以克服剪切闭锁,而使用线性单元会出现剪切闭锁。使用位移计算弯矩出现了严重的振荡现象,而应力计算弯矩则相对稳定。在上述工作的基础上,对典型被动桩问题进行有限元分析,着重研究不同网格划分、不同荷载、不同刚度等情况下位移计算和弯矩计算的差异。研究发现关于网格划分规律和悬臂梁的研究成果是一致的,但被动桩计算的剪切闭锁现象并不严重。使用高次单元时位移计算弯矩出现了轻微的振荡。等效刚度对位移计算影响不大,但对弯矩计算结果有较大影响,应当选用恰当的模量和刚度。论文进一步分析了高勒罕水库防渗墙和金塘大桥桩基工程的受力变形和弯矩计算,表明在土层性质不均匀的情况下位移计算弯矩的振荡现象会更明显。本文研究表明,对于设置在土体中的条状或板状结构,剪切闭锁不严重,通过合适的网格划分可以获得很好的精度。长度方向的网格划分对位移计算精度起主要的作用。使用位移计算弯矩会出现振荡现象,在一些情况下其结果是不可靠的。使用应力计算弯矩需要在截面方向划分较多网格以获得较为准确的计算值。此外,矩形单元对较大长宽比有很好的忍耐性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 综述
• 1.1 课题研究的背景及现状
• 1.1.1 桩基础
• 1.1.2 防渗墙
• 1.2 条状和板状结构有限元模拟的难点
• 1.2.1 剪切闭锁
• 1.2.2 网格划分问题
• 1.2.3 弯矩计算方法
• 1.2.4 等效刚度
• 1.3 ABAQUS 及PLAXIS 简介
• 1.3.1 ABAQUS 简介
• 1.3.2 PLAXIS 简介
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 悬臂梁的有限元分析
• 2.1 概述
• 2.2 使用梁单元
• 2.2.1 集中力作用
• 2.2.2 均布力作用
• 2.3 使用实体单元
• 2.3.1 单元网格划分研究
• 2.3.2 弯矩计算研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 被动桩的有限元分析
• 3.1 概述
• 3.2 土中没有桩时的计算结果
• 3.3 被动桩受力变形分析
• 3.3.1 单元网格划分研究
• 3.3.2 荷载大小的影响
• 3.3.3 等效刚度的计算
• 3.3.4 使用梁单元
• 3.4 边界条件的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 工程应用
• 4.1 高勒罕水库大坝防渗墙有限元分析
• 4.1.1 工程简介
• 4.1.2 有限元计算结果
• 4.2 新泓口围垦工程对金塘大桥桩基的影响分析
• 4.2.1 工程简介
• 4.2.2 有限元计算结果
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果