該示例問題演示了一種使用土壤分析對非線性固結進行建模的方法，其中施加到模型上的載荷是自重。

重點介紹了以下特性和功能：

• 停用和重新激活單元（生死能力）

• 二維面-面接觸對單元技術

• 改良的Cam粘土材料模型

• 作為時間和高度函數的材料特性

• 土壤材料的靜土平衡

介紹

筑堤（或堤防）的目的是防止鄰近海洋、湖泊或河流的土地被洪水淹沒，并通過擋水來支持運輸。通過分階段施工，可以修建相對陡峭的邊坡和堤岸。

由于土壤和巖石基礎通常表現為非線性，具有彈塑性應力-應變關系，因此基礎必須具有非線性材料特性。已經開發了一些本構模型，以幫助模擬土壤和巖石的行為，例如Mohr-Coulomb, Drucker-Prager concrete, Cam-clay等。

在確定結構穩定性時，路堤重量引起的基礎沉降是一個重要的考慮因素。因此，在施工前使用有限元模型檢查沉降特性是有用的。

問題描述

每層1.5天，歷時4.5天建造三層相等的路堤。

在每個路堤層的施工過程中，粘土層進行固結。每個路堤層的厚度為0.6 m。每一步的載荷僅包括路堤的重量和粘土層的有效自重。

粘土下面的材料是不透水的，粘土和路堤之間以及每個路堤層之間的接觸區域也是不透水的。

假定路堤呈現線彈性特性。粘土層使用彈塑性Cam粘土材料模型。

建模

由于路堤層的自重是逐漸施加的，因此該問題使用兩種方法來模擬物理過程：

• 情況1–使用三個接觸對將每個路堤層分成六個子層（共18個子層）。需要20個加載步。

• 情況2–使用三個路堤層和三個接觸對，其自重和楊氏模量隨時間和高度變化。需要五個加載步。

粘土層和路堤層采用二維四節點耦合孔隙壓力熱單元（CPT212）進行網格劃分。接觸對用2-D雙節點接觸（CONTA172）和2-D目標（TARGE169）單元劃分網格。

改進的Cam粘土塑性模型結合多孔彈性，模擬了孔隙對粘土層彈塑性行為的影響。

材料和接觸屬性

為金屬線圈定義了線性彈性材料行為，并使用Neo-Hookean模型對聚合物管進行建模。

對于情況2，通過使物理量為位置和時間的函數（TBFIELD）實現，比重量和楊氏模量在載荷階躍上逐漸增加。

邊界條件和加載

粘土層頂面的壓力邊界條件最初設置為零，以形成可滲透表面。然而，當第一路堤層被激活時，粘土層和第一路堤層之間接觸界面處的壓力自由度被刪除以形成不可滲透的邊界條件。

只有當路堤層的相應單元被殺死（EKILL）時，才會限制路堤層在Y方向上的位移。當這些單元被重新激活（EALIVE）時，路堤層的零UY自由度也被刪除。

當路堤層被殺死和激活時，還需要殺死和激活與其相關的接觸對單元。

應用于模型的唯一載荷是自重，通過土壤分析進行模擬：

分析和求解控制

對情況1和情況2進行了地質靜力分析，以確保在初始狀態和粘土層內的自重之間達到平衡。

在地質靜力分析結束時，總變形應為零，確認滿足平衡。必須停用所有路堤層和接觸單元，并且必須限制連接到這些單元的節點在Y方向上的位移。

案例1的下十八個步和案例2的下三個步是固結步，每個步對應于特定路堤層的活化。

在重新激活相應單元的同時，將刪除附著到其上的節點在Y方向上的位移限制。

對于情況1，用于重新激活接觸對（EALIVE）的命令僅出現在步2、8和14中。

過量孔隙壓力是指當飽和土壤加載時，孔隙壓力增加超過初始狀態孔隙壓力。由于必須檢查過量孔隙壓力的演變，因此輸出數據進行后處理（ETABLE，SADD）。

結果和討論

在下圖中，（a）顯示了粘土層頂面（路堤層下方）點1的沉降。正如預期的那樣，感興趣點的位移隨著時間逐漸增加，然后在大約第200天達到穩定狀態。

圖（b）還顯示了點2（路堤中心下方粘土層中部）超孔隙壓力的時程演變。過量孔隙壓力在路堤層施工期間增加，并在路堤施工結束后逐漸消散。

兩種情況的結果表明沉降和孔隙壓力演變的預測類似。

如下圖所示，從施工開始到結束（4.5天），孔隙壓力快速增加：

在280天時，孔隙壓力與自重平衡。下圖顯示了路堤施工期間Y方向的位移：

未激活層沒有位移，這意味著這些層在未激活步期間對粘土層的沉降沒有影響。

還要注意粘土層的逐漸沉降。在與激活路堤層相關的1.5天固結步中，粘土層經歷逐漸沉降過程（路堤下方的部分頂面逐漸下降）。

如圖所示，路堤施工期間，多余孔隙壓力增加：

路堤施工完成4.5天后，多余的孔隙壓力逐漸消散。

建議

在執行類似類型的分析時，考慮以下提示和建議：

• 正確設置接觸參數。確保接觸始終接合。如果操作不當，可能會失去接觸，導致剛體運動。

• 當使用生死單元（EALIVE和EKILL）時，啟用大位移幾何（NLGEOM，ON）。

• 使用非對稱Newton-Raphson解方法（NROPT，UNSYM）和耦合孔隙壓力熱機械單元（本問題中為CPT212）。

• 忽略可能在地質靜態求解開始時出現的接觸單元狀態警告。（由于接觸單元被殺死，然后被重新激活，預計狀態會突然改變。）