淺談abaqus中飽和土體流固耦合相關問題

在講述本部分內容之前,先回顧一下關于土體密度的相關基礎知識:

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上述公式分別為土體天然密度、干密度、含水率、飽和密度、浮密度以及相互之間的關系。

巖土工程中通常認為地下水位以下土體處于飽和狀態,即涉及到飽和滲流的問題,典型的就是飽和土的固結問題??讐和ǔS袃煞N表示形式,即總孔壓或超孔壓。超孔壓指的是超出靜水壓力的那部分。abaqus/standard中的流體滲透/應力耦合分析中可以基于總孔壓,也可基于超孔壓進行分析。當模型的重力載荷采用gravity分布載荷進行定義時,則基于總孔壓進行分析;若模型重力通過施加體力來實現,則采用的是超孔壓。分析中關心的是載荷引起的超孔壓分布及消散,當采用總孔壓進行分析,則需通過*initial conditions,type=pore pressure來定義初始總孔壓的分布,其中材料的密度應為干密度。流體滲透/應力耦合分析問題中采用的單元具備孔壓自由度,其單元類型標識符以字母P結尾表示孔壓單元。

飽和土體的流固耦合問題通常采用瞬態分析,進而求解孔壓、沉降隨時間的變化過程。abaqus/standard采用非對稱的剛度矩陣存儲和求解方法(當采用MC模型進行分析時同樣采用該方法)。

固結計算中一般采用自動時間步長,在該分析步中通常設置UTOL(增量步中允許的孔壓變化最大值)和CETOL(若材料模型中不包含蠕變材料特性,則不需設置此項)

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進行流固耦合分析過程中,需定義滲透系數,滲透系數的單位應該與分析中的單位相對應,如m/d(天),type(類型)選擇各向同性,液體重度(間隙流體比重)通常為9.8,同時還需定義孔隙比;隨著土體的固結沉降,孔隙比在深度方向上是變化的,通常為了簡化計算,孔隙比會設置為常數,當然在軟件中也可以設置沿深度變化。嚴格上來說,由于孔隙比的變化,干密度的取值也是變化的。(相關子程序中可以自行定義,這里不再贅述)

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子選項中的數值通常在非飽和土體中進行設置

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在進行流固耦合分析中,通常需另外設置排水邊界,即在土體表面設置零孔壓面,區域的選擇是結點(node)集合而不是面集合(surf。在非飽和土體中排水面的設置與此不同。

巖土工程分析中,Geostatic分析步通常都是巖土分析的第一步,在該步中,土體受到重力作用,所設置的初始應力應和重力相平衡,且不產生任何位移。然而,對于復雜的模型,模型中存在過大的非線性,可能造成Geostatic步的迭代失敗,需要調整初始應力狀態,因此,精確的設置初始應力并不容易。在這里,簡單講述一種設置初始應力的方法。通常認為土體中的初始水平有效應力只和z坐標有關和水平位置無關,因此在分析中,水平有效應力由豎向有效應力乘以水平土壓力系數得到。相關的關鍵字語句為:

*initial conditions ,type=stress,geostatic;

關鍵字stress表明定義的初始應力,而關鍵字geostatic表明定義隨深度線性變化的初始應力,相應的數據行依次為單元號或單元集合名稱,起點應力值,對應坐標,終點應力值,對應坐標,x方向的水平土壓力系數,y方向的水平土壓力系數。cae中設置如圖所示:

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分析過程中,還應設置初始孔隙比、初始孔隙水壓力等

*initial conditions ,type=pore pressure

*initial conditions ,type=ratio

對非飽和土還需定義初始飽和度,若不定義,abaqus默認土體是飽和的,此文章考慮的是飽和土,故不需設置。

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土體固結沉降過程中,孔隙比隨深度變化,并不是簡單的一個常數,當然,孔壓和孔隙比均可以沿深度進行變化設置。另外補充一點, abaqus中土體應力已拉為正,而液體以壓為正,設置土體應力和孔壓的時候注意一下。同時,相關區域的選擇也是結點集合。

這里補充一下分析步中的相關設置:假如固結分析步的時間設置為90天,時間長度需設置90,初始增量步要小些,同時最小分析步設置的小一點,防止計算過程中出現不收斂的情況,另外,最大增量步數盡量設置的大一些,防止出現計算沒有完成而停止的現象。如果載荷施加的過程并不是瞬時施加的,則需要設置載荷隨時間的變化方式。

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最后,關于飽和土體的流固耦合問題就講述到此(流固耦合問題還是蠻難處理的),愿大家盡快掌握流固耦合的相關內容。

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