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关于初始应力计算
创建者:章延平,编辑者:章延平,最近更新:2014/12/17 16:13:41

问题描述

模型分析时初始地应力平衡的计算方法有哪些?其计算原理如何?

解答

岩土工程问题分析当中,在施加工程荷载或分步施工之前,首先要进行初始地应力的平衡计算,即工程问题开始之前,最初的地层应力分布情况。土层中的初始应力主要与土体的自重和形成历史有关。PLAXIS中关于初始应力的计算主要有两种方法:K0过程重力加载

1.    K0过程

初始应力分布包括竖向(有效)应力和水平(有效)应力,二者之间的关系用表示。此处的K0侧压力系数,可以通过室内试验或原位测试得到。在缺乏试验资料时,可使用经验公式估算,比如在程序中正常固结土K0默认值计算方法为Jaky1948)的经验公式超固结土K0值要大于该经验公式的计算值,用超固结比OCR或上覆压力POP(适用于高级本构模型,不包含MC模型)表达土层的应力历史。


1 土层材料属性的初始条件页面

考虑超固结土应力历史的参数OCRPOP(定义其中之一)的定义如下:


其中,为预固结竖向有效应力,为当前竖向有效应力。程序默认情况下,高级本构模型中超固结土的K0值按照弹性Hoek定律得到的计算式为:


其中,为正常固结状态的侧压力系数, 为弹性泊松比(卸载重加载情况下)。

注意K0值不能过大或过小,否则所计算的初始应力可能违背破坏准则(MC破坏准则)。此时程序会自动调整使应力服从破坏准则,但土层会进入塑性状态(可通过查看塑性点观察),如此调整之后的应力场将不平衡。

使用K0方法可以使初始应力场达到完全平衡的模型条件:地表水平,土层和潜水位均平行于地表。否则应使用重力加载。

2.    重力加载

重力加载就是一种塑性计算,土体自重作为荷载。此时,竖向(有效)应力与水平(有效)应力的比例关系K0,按照弹性一维压缩理论(适用于MC模型)估算可得: 。此时,土层材料参数中的泊松比v取值直接决定了K0的取值。

由以上可见,MC模型在使用重力加载方法时无法考虑土层的应力历史(如超固结土),因为泊松比v小于0.5K0必然小于1.0。如果需要考虑土层应力历史,就需要模拟土层的历史加卸载过程(注意加载和卸载时采用不同的泊松比)。

        而对于高级本构模型,K0对应材料属性中的高级参数。注意:此时高级本构模型的初始参数OCRPOP忽略不计。


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