弹塑性理论在地基基础方面现阶段的应用

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1、弹塑性力学理论在地基基础领域现阶段的应用三三姓名：刘德龙学号：2014032032专业：地质工程方向：基础工程与地基处理2014年11月 25日弹塑性力学理论在地基基础领域现阶段的应用摘要：通过阅读文献，本文对现阶段弹塑性力学理论在地基处理与基础工程领 域的应用作了简单综述。关键词：弹塑性力学；地基处理；基础弹塑性力学在土木工程、地质工程、勘察工程等专业具有广泛的应用，是 一门实用性很强的基础学科。通过阅读文献，了解到弹塑性力学在本人所研究 的地基处理及基础工程方向也被普遍应用，解决了工程中遇到的不少难题。以 下将具体陈述弹塑性理论在地基基础方面现阶段的一些应用。1990年，国家地震局工程力学

2、研究所的赵振东和北京大学地质系的蔡永恩， 引入了用于研究结构与地基非线性动力相互作用时，对其接触而进行模型化的 由层状弹塑性材料构成的有限薄层连接元法。该方法通过薄层单元材料在强荷 载作用下的加工硬化或软化过程，较为有效地模拟了基础与地基间的接触、滑 移或提离等复杂的相互作用效应。给出了利用薄层连接元与有限元相结合的方 法，研究在地震荷载及空气冲击波荷载作用下高层建筑结构与地基间的非线性 动力相互作用的数值分沂结果。经过弹塑性理论的分析，具体得出了如下的结 论：在强荷载作用下的结构与地墓相互作用分析巾，考虑结构与地篆的接触面 上发生的非线性相互作用效应是非常必要的，解决此问题的关键是对接触面的

3、 合理有效的模型化。文中采用的由层状弹塑性材料构成的薄层连接单元较好地 模拟了基础与地基的接触面。结构与地基间的滑移和提离现象的发生，是与接 触面材料的应力状态紧密相关的。当接触面材料由弹性向应变软化的塑性状态 的转变过程中，往往出现短暂的加工硬化的塑性状态。处于应变转化状态时， 在结构与地基的接触面处有可能出现滑移或提离等非线性动力效应。本文方法 与有限元相结合，可以研究在强地震或强冲击波荷载作用下的结构与地基间的 接触、滑移或提离等效应。1999年，同济大学的袁聚云、赵锡宏和董建国通过对高层空间剪力墙结构 采用双重扩大子结构有限元分析方法，并采用各向异性弹塑性地基模型，对高 层空间剪力墙结

4、构与地基基础共同作用进行综合分析。同时以上海钟童高层建 筑为工程背景对考虑地基土各向异性的共同作用下基底反力和地基变形等变形 规律进行分析和研究，并将计算结果与各向同性情况以及实测结果进行了比较。 他们所建立的各向异性地基模型是对于各向异性的土体，其总应变仍可以分成 弹性应变和塑性应变两部分，并以增量的形式表示，运用胡克定律，在上海软 土各向同性破坏准则中，引入各向异性参数，并根据塑性理论的流动法则，求 得考虑土体各向异性的塑性应变增量与应力分量之间的关系表达式。经过具体 的计算，结果表明：（1）各向异性弹塑性地基模型计算得到的地基变形要比各向 同性弹塑性地基模型计算得到的地基变形为大;同时其

5、地基差异沉降也要比各向 同性弹塑性地基模型计算得到的地基差异沉降明显。（2）各向异性弹塑性地基模 型计算得到的横向整体倾斜和纵向弯曲要比各向同性弹塑性地基模型计算得到 的相应值为大;但对于基础平均沉降，两种弹塑性地基模型的计算结果则差别不 是很大。在计算建筑物地基变形时，特别是在计算地基差异沉降以及由此而引 起的建筑物倾斜时，应当考虑土体各向异性的影响。（3）各向异性弹塑性地基 模型计算得到的基底反力，其中间部分要比各向同性弹塑性地基模型的为大， 而边缘部分则比各向同性弹塑性地基模型缓和。2005年，清华大学水利水电工程系的杨强、陈新和周维垣研究了弹塑性计 算中小平衡力的性质，揭示了它和加固力

6、、结构稳定性的密切关系。他们在文 章中指出，弹塑性有限元分析迭代过程实质上就是一个逐步消除小平衡力的过 程。可以采用弹塑性分析中的小平衡力来指导加固设计:只要施加和小平衡力大 小相等、方向相反的加固力，结构就是平衡、稳定的。在所有加固方案里，弹 塑性分析确定的加固力是最小的，并归结为应力转移的最小余能原理和加固力 上限定理，弹塑性计算确定的加固力和真解相比偏于安全。他们的拱坝计算实 例表明，小平衡力分析对分析结构稳定性、指导加固设计是有助益的。作者具 体针对基于D-P准则的三维理想弹塑性模型，提出了一种新的有限元增量分析 方法，直接导出了符合正交流动法则的转移应力的解析解，不用形成弹塑性增 量

7、矩阵。研究表明，对任一迭代步，只要施加一个反向不平衡力（加固力），结 构就是稳定的。可以用总余能范数来衡量弹性试应力场和调整后应力场的偏差， 弹塑性本构关系要求该总余能范数取最小值;不平衡力就是两应力场差值在结点 上的集中体现，故在总余能范数的意义上，按弹塑性本构关系确定的不平衡力 或加固力是最小的。弹塑性计算确定的加固力和真解相比偏于安全。拱坝计算 实例表明，不平衡力分析对分析结构稳定性、指导加固设计是有助益的。文章 的理论是非常基本的，如何去指导实际的加固设计尚有很大的发挥空间，文章 强调两点:加固力是自平衡的荷载向量，这与一般加固措施如锚固、混凝土格 栅、抗滑键对周围岩土介质的加固力性质

8、是一样的;对某一结构而言，网格剖 分不是唯一的，所以一套加固力系可以依据实际的加固措施，按虚功原理等效 成多套等价的加固力系。2006年6月，长安大学的曹黎娟在其硕士论文中，基于统一强度理论研究 挤密桩桩周土体应力，求出弹塑性极限荷载的统一表达式;并考虑各参数对塑性 区发展及极限荷载值的影响，与其他理论结果对比分析，从而说明基于统一强 度理论的挤密桩应力分析更加符合土体实际受力状态，结果合理。然后基于大 型有限元分析软件ANSYS 8.0对挤密桩挤密成孔过程进行三维有限元模拟，有 限元法能够考虑土体应力一应变性质，避免了人为的一些假定。通过非线性计 算，得出各种情况下的极限荷载与理论分析结果对

9、照分析。最后得出的主要结 论是：1.引入统一强度理论，介绍其力学模型、表达式及发展应用。土体塑性力 学中多以Mohr-Coulomb强度理论为土体屈服准则，基于统一强度理论推导出 土体的统一弹塑性本构模型，作为有限元分析基础。2.基于圆孔扩张理论，采 用统一强度理论作为屈服准则，对灰土挤密桩挤密成孔过程中土体应力进行弹 塑性分析，得出弹塑性解的统一表达式。并求出极限荷载值，同其他理论计算 结果进行对比分析，充分说明统一强度理论应用于岩土类材料分析的合理性。3. 基于大型有限元分析软件ANSYS 8.0对挤密桩桩周土体应力进行弹塑性有限元 分析。通过三维实体模型模拟了挤密桩挤土的真实状态，分析桩

10、周土体应力的 发展情况;并分析不同土体参数及深度，桩径等因素对桩周土体挤密效果的影响; 讨论塑性挤密半径及极限荷载的大小，与理论结果进行对比分析表明基于统一 强度理论的分析结果与三维有限元分析结果更接近。地基固结作用呈现明显的非线性特征，对建筑物沉降变形的影响不容忽视， 为此，2006年11月，大连理工大学的崔春义等人基于Biot固结理论，对于地 基土采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，对筏板基础与地基共同作用问题进 行了非线性固结弹塑性有限元数值分析，得出了以下结论：（1）地基的固结作用 对筏板基础与地基共同作用体系的受力与变形特性具有显著的影响.特别当土的 渗透性较差时，这种影响较

11、持久.因此，在工程设计中考虑地基固结作用是十分 必要的.（2）在一定软弱下卧层厚度下，加载区地基土中超孔隙水压力沿着深度 存在两个或多个高孔隙水压力集中区.随着时间的增长，孔隙水压力逐步消散和 扩散，地基内的孔隙水压力变化趋向土层的一维固结特征，不仅孔隙水压力减 小，而且分布趋向均匀.（3）考虑地基固结作用的影响，筏板内力（包括内部弯矩 等）沉降变形以及和基底接触反力等均呈现出明显的时间效应，且随着时间的增 长而达到稳定状态.基底接触反力在接近高孔隙水压力集中区域也表现出与M andel-Cryer效应类似的变化特征.2007年，长安大学的王亮在博士论文中，对桩基扩孔弹塑性理论进行参数 影响分

12、析，从粘性土和非粘性土的多个参数出发，讨论了群桩有限边界的扩孔 力一孔扩比关系，分析了孔扩张过程中桩孔初始半径、桩孔边界、初始地应力、 土壤剪切模量、土壤剪胀角和土壤内摩擦角这些因素对桩基扩孔问题中孔扩张 行为的影响。对于 粘性土，在相同土壤参数的前提下，文中的理论解与 Houlsby试验值具有较好的一致性和相似性。同样，对于非粘性土，在相同土壤 参数的前提下，理论解相当接近Hughes试验值，尤其是单桩（即无限边界）情况 下，理论解与试验值的拟合程度较好，两者误差在5%以内。同时，通过对上述 土壤参数的影响分析，得出了桩基扩孔过程中孔周土体变形的参数影响规律。 这些规律极大地方便了粘性土和非

13、粘性土中桩基扩孔问题影响因素的宏观定性 分析。文章从内摩擦角、剪胀角、泊松比、土壤剪切模量和桩孔边界五个因素 出发，对桩基扩孔过程中的极限扩孔力进行了影响分析，得到了土壤参数影响 的一般性规律:极限扩孔力与内摩擦角成正比关系;土壤剪胀角对极限扩孔力的影 响很小;泊松比影响极限扩孔力比有限;粘性土、砂土在合理范围内增加剪切模量， 极限扩孔力比变化小于2倍;边径比越大者，极限扩孔力比就越大，但随着桩孔 边界的增加则极限扩孔力比增量的斜率减缓，桩孔边界越小及弹性模量越大者 影响桩孔边缘的极限扩孔力就越明显。这里得到的极限扩孔力受土壤参数影响 的一般性规律，可以更好地为桩基扩孔问题方面的工程设计提供指

14、导。随着对地基承载力理论研究的深入及大量工程实践的开展，暴露出弹性理 论的诸多缺陷。2010年，南京工业大学土木工程学院的梅岭等人基于弹一塑性 理论，对以前学者的地基分类进行改进，推导出地基的临塑承载力、弹一塑性 承载力以及极限承载力的公式，并且为了更好地进行地基上处于非线性变形阶 段弹一塑性承载力的计算，提出了弹一塑性承载力利用率的概念:针对以前学者 提出的危险度的概念，由于其不能在工程实际工程中很好地推广应用的缺点， 给出了具有工程意义的弹一塑性承载力安全度K这一参数。结合工程实际说明 只要K满足要求，地基上可用到非线性变形阶段，由此理论设计地基基础，造 价将大大降低。另外，文章未涉及地基

15、的变形计算。而在实际的工程中，只要 基础的沉降不大于建筑物的允许沉降值，其强度取值都是可行的。所以为了使 地基强度公式在实际工程中能得到更好的运用，有必要引入地基土的应力应变 关系，转而研究地基的变形问题即建筑物的沉降问题。这样对于建筑物地基的 承载力问题，可以通过强度计算和沉降变形计算双重控制，得到更为可靠的结 论。2012年，武汉理工大学的胡静在其硕士论文中，围绕非饱和土动力特性以 及将非饱和地基土作为一种非线性弹性介质这两个问题作为研究对象，主要工 作和创新如下:1)分析和对比已有的非饱和多孔介质动力模型，着重选取魏德敏 提供的改进型波动方程进来数值分析，求解方程表明非饱和土中存在3种压

16、缩 波和1种剪切波，这个与实际测量相符合;此外，系统的研究了非饱和土 4种波 在饱和度、频率等因素影响下传播特性。2).广泛阅读相关文献，总结了土与结 构相互作用的研究方法，并且评定各自的优缺点，为论文选择合适的研究方法。 3).建立实际工程模型，考虑适当的非饱和土本构模型作为边界条件，对体系进 行动力时程分析，使用Midas/Gen软件进行计算，说明了考虑相互作用的必要 性和安个性。最后对结构在地震作用时的整体安全性进行了评估。文中提到最 早的模型选用净应力和吸力作为状态参考变量，因为这样可以使得模型简化地 把总应力的影响和吸力的影响区分开来，还有一个原因是由于实际应用中普遍 假定孔隙气体的压力是保持恒定不变的，这样选择会使模型变得更加简单。后 来，很多学者基于这种双应力变量选择建立了非饱和土的本构模型，非饱和土 本构方程的发展