土體模型的案例
ABAQUS框架-土體結(jié)構(gòu)地震作用時程分析（包含上部框架結(jié)構(gòu)定義、柱下獨立基礎(chǔ)、土體模型） ￥20
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本模型計算框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的時程分析，模型建立了框架上部框架結(jié)構(gòu)包括梁、板、柱，柱下獨立基礎(chǔ)以及一定范圍內(nèi)的土體（定于無限元），包含了結(jié)構(gòu)-土體，即SSI模型，地震作用添加的是Elcentro波，通過該模型，可以學(xué)會簡單SSI（structure -soil interaction）模型的定義，地震作用的添加以及無限元的定義。通過學(xué)習(xí)該模型可類比分析地下結(jié)構(gòu)地層模型的地震作用時程分析，比如地鐵，地下通道，綜合管廊等。
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展開 SVSolid的主要特性
全面詳細的幫助文檔可以幫助您快速建立所需要的模型。
SVSolid適用于致力于巖土工程和巖土環(huán)境模擬的工程人員及科研工作者。軟件可以計算飽和及非飽和土中的應(yīng)力和變形。自動模型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格細化，不定格式的邊界條件方程以及眾多的土體模型使得SVSolid擁有非常強大的分析計算能力。從實驗室數(shù)據(jù)到建模分析，輕松完成。
主要特性：
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* 全自動模型網(wǎng)格細化；
* 求解方程的可修改性－用于高級用戶的研究分析；
* CAD風(fēng)格建模；
* 新用戶建立有效模型的平均時間：30分鐘；
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* 多種土體模型，包括鄧肯－張模型；
* 高檔Linux求解可用；
* 支持并行處理。
* 先進的數(shù)據(jù)報告/可視化；
* 由常量或不定格式方程表示的應(yīng)力和位移邊界條件；
* 新的土體模型允許飽和及非飽和區(qū)域位移的準確描述；
* 可從SVFlux中導(dǎo)入孔隙水壓力；
* 計算分析結(jié)果以已知軟件及手算結(jié)果為基準做對比。
展開 SIGMA/W 專業(yè)的應(yīng)力變形有限元分析軟件
土體固結(jié)模型包括線彈性模型、各向異性的線彈性模型、非線性彈性模型、彈塑性模型、應(yīng)變軟化模型、土體的帽蓋模型和修正的帽蓋模型等。
邊界條件類型包括X和Y方向的位移、體力、壓力、階躍常數(shù)、以及模型的自重載荷。
SIGMA/W軟件采用小變形、小應(yīng)變、漸近載荷模型來處理二維平面應(yīng)變和軸對稱問題。對每一加載步，每個節(jié)點上的漸近位移由漸近載荷作用計算得出，加到位移上的初始載荷步計算出模型的整體位移。
對非線性材料的土體模型，SIGMA/W軟件用Newton-Raphson方法來解迭代方程，土體參數(shù)在每一迭代步上都要更新，直至得到收斂解。
SIGMA/W軟件可與SEEP/W軟件相結(jié)合分析土體的完全固結(jié)問題。由SEEP/W軟件計算載荷作用下的瞬時孔隙水壓力，而由SIGMA/W軟件計算孔隙水壓力產(chǎn)生的變形。
用于土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部相互作用的梁結(jié)構(gòu)和桿單元。
回填或開挖時的分段載荷。
3.與其他應(yīng)用軟件的結(jié)合：
1）SIGMA/W軟件計算出的應(yīng)力可用于SLOPE/W軟件或QUAKE/W軟件中：
在SLOPE/W軟件中用有限元方法計算出的應(yīng)力值，與由變形分析中得到的應(yīng)力值一樣，用這些應(yīng)力值就可以對一些嚴格的穩(wěn)定性問題進行分析了。此外，在QUAKE/W軟件的地震動力學(xué)分析中，用戶可以將SIGMA/W軟件計算出的應(yīng)力作為初始應(yīng)力分布值。
2）SIGMA/W軟件計算出的孔隙水壓力可用于SLOPE/W軟件或QUAKE/W軟件中：
在SIGMA/W軟件中，在如回填等穩(wěn)定載荷作用下產(chǎn)生的超孔隙水壓力可以代入SEEP/W軟件中研究地基中的超孔隙水壓力的消散所需時間。用戶可以用SLOPE/W軟件來分析建造過程這些附加應(yīng)力對穩(wěn)定性的影響，以便用戶決定分步加載的必要性。
展開 土體邊界面模型matlab及umat程序 ￥98
Sanisand邊界面模型由Dafalias和Manzari于2004年提出，是一個巖土工程領(lǐng)域廣泛運用的砂土本構(gòu)模型。Sanisand模型形式相對簡單，性能優(yōu)越，能用同一套參數(shù)模擬砂土在不同密實度、圍壓，不同應(yīng)力路徑（排水條件，不排水條件，單調(diào)及循環(huán)荷載）下的響應(yīng)。
下圖是Sanisand模型的示意圖及公式，如果想要了解邊界面模型的作用機理，可以學(xué)習(xí)我發(fā)布的土體彈塑性本構(gòu)理論教程。
以下是Dafalias&Manzari（2004）論文中通過Sanisand模型對不同密實度、圍壓的土體在排水三軸壓縮試驗、不排水三軸壓縮試驗以及循環(huán)三軸試驗的模擬結(jié)果（左）。同時我將模型編入matlab實現(xiàn)了論文上的模擬結(jié)果。我的matlab程序的模擬結(jié)果也放在下面作為對比（右）。付費內(nèi)容是我編寫的Sanisand邊界面模型matlab程序，umat程序以及參考文獻，需要的同學(xué)可以購買（可以私戳我通過ZFB購買，可優(yōu)惠20%）。
圖1.不排水三軸壓縮實驗密砂實驗與模擬結(jié)果對比
圖2.不排水三軸壓縮實驗中密砂實驗與模擬結(jié)果對比
圖3.高圍壓下排水三軸壓縮實驗實驗與模擬結(jié)果對比
圖4.低圍壓下排水三軸壓縮實驗實驗與模擬結(jié)果對比
圖5.循環(huán)不排水三軸壓縮實驗實驗與模擬結(jié)果對比
展開 
ABAQUS樁貫入土體溫度位移耦合模型 ￥19
采用動力顯示分析，運用ale方法完成樁對土體的貫入，并實現(xiàn)對土體的加熱。inp文件，僅供學(xué)習(xí)和參考。
多層復(fù)雜土體地形上部既有斜拉橋地震波輸入模型
圖片內(nèi)容為多層復(fù)雜土體地形上部既有斜拉橋地震波輸入模型以及附有對應(yīng)腳本程序和使用教程。 提供了一套強大而高效的MATLAB自動化腳本，它能一鍵生成精確的粘彈性人工邊界和復(fù)雜的等效節(jié)點荷載，徹底解決因邊界處理不當(dāng)導(dǎo)致的波形反射與結(jié)果失真問題。通過我這套教程，能讓學(xué)習(xí)者學(xué)會如何將其應(yīng)
GeoFEA--有限元分析軟件用途和功能
GeoFEA適合于巖土工程中二維、三維巖土體變形、穩(wěn)定性和孔隙壓力分析的專用有限元軟件。GeoFEA軟件從建模、網(wǎng)格剖分、土體模型、變形與應(yīng)力求解、結(jié)果顯示與分析等各方面體現(xiàn)了適合巖土工程設(shè)計與分析的特點。 GeoFEA軟件自推出以來被廣泛應(yīng)用在重大基礎(chǔ)工程建設(shè)、海港碼頭建設(shè)、地鐵隧道工程和鐵路、公路路基建設(shè)等領(lǐng)域，為工程方案設(shè)計、施工過程土體穩(wěn)定性評價提供了大量信息支持。
ABAQUS摩爾庫倫本構(gòu)不適用于基坑開挖的原因
眾所周知，我們土體的摩爾庫倫本構(gòu)是不適用于我們的一般基坑開挖模擬的，很多同學(xué)都知道這個結(jié)論或者說知識點，但是我在很多地方搜索發(fā)現(xiàn)，并沒有告訴我們原因，最后在一個巖土網(wǎng)論壇的大佬帖子中找到了答案。
首先我建立一個基坑開挖的模型，土體尺寸為100m×100m×60m，進行土體開挖，將該土體進行圓形基坑開挖，開挖直徑取為20m，開挖深度為8m。
一共建立兩個模型，一個模型的土體材料用摩爾庫倫本構(gòu)，另一模型的土體材料采用修正劍橋本構(gòu)。注意，此處我們只討論不同本構(gòu)下基坑的變形規(guī)律，所以我們的土體并不是一類土(在此處我也不給一種土的數(shù)據(jù)了，一般的地勘報告也不一定給全)。修正劍橋本構(gòu)的知識我們后續(xù)再講。
土體施加自重荷載，進行地應(yīng)力平衡后進行開挖，土體邊界條件及荷載圖如下圖所示：
將所建模型進行開挖，最終我們得到基坑的變形圖如下兩圖所示(為觀察方便，給出合適的變形比例)：
摩爾庫倫本構(gòu)基坑開挖變形圖：
修正劍橋本構(gòu)基坑開挖變形圖：
由上圖我們可以得知，通過摩爾庫倫本構(gòu)開挖的基坑會導(dǎo)致巨大的基坑回彈，基坑邊緣變形也與實際情況相反，通過修正劍橋本構(gòu)開挖的基坑計算中斷(可能是因為土體不同，或本構(gòu)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)卸載彈性模量有變化，修正劍橋本構(gòu)土體有較大變形導(dǎo)致)但底部有隆起，基坑邊緣向圓心變形，邊緣下滑，由此得知，我們的修正劍橋本構(gòu)更符合基坑開挖的模擬。
但是，此處開挖時，如果有摩爾庫倫本構(gòu)繼續(xù)開挖，開挖到更深層時，基坑邊緣會產(chǎn)生向圓心變形，邊緣下滑，但距離邊緣一定位置處的土體依然會因為之前的隆起，位移呈現(xiàn)向上隆起的狀態(tài)，坑底隆起依舊較大。
展開 DIANA中遠場邊界的振動波反射抑制
圖4 未添加遠場邊界時測
試模型內(nèi)各點位移變化情況
接下來，我們在土層底部添加一個遠場邊界條件。如前文所述，遠場邊界實際上是在邊界處添加阻尼（damper）。但是在添加阻尼時，我們又需要確認阻尼系數(shù)的大小，這樣才能正確地模擬出土層的動力響應(yīng)情況。吸收阻尼系數(shù)的大小與土層本身的材料屬性是相關(guān)的，其計算方法如下。
cp與cs分別對應(yīng)縱波與橫波的阻尼系數(shù)，E 為土體材料彈性模量，μ為泊松比，ρ為密度。
DIANA與其它軟件不同的地方在于，除了使用常規(guī)的邊界單元來模擬阻尼外，還可以通過阻尼界面單元將分析模型與理論上無窮厚的土體相連。無窮厚的土體將定義為邊界表面單元，其厚度可設(shè)為一個極大值，其材料屬性與土層模型保持一致，如圖5所示。
圖5 無窮厚土體屬性定義
在添加了無窮厚土體模型后，在底部邊界處就無需再設(shè)置約束。嚴格意義上來說，這一模型是不完全約束的，但在動力分析中，DIANA支持不完全約束模型的分析。最后，我們來檢查一下阻尼邊界對于振動波的吸收效果。圖6為土層內(nèi)各點的豎向位移變化情況。由圖6可知，振動波在邊界處未發(fā)生反射。由于未設(shè)置邊界單元的彈簧剛度，所以土體未回彈，邊界處入射波完全吸收，達到我們的初始預(yù)期！
圖6 添加遠場邊界后測
試模型內(nèi)各點位移變化情況
大家不妨可以試一下DIANA中對于遠場邊界的處理方式，相較于單純地添加一個邊界阻尼單元，DIANA中的這一機制更為合理。此外，DIANA中還提供了完美匹配層（PML）這一功能用于吸收邊界處的入射波，同樣可以起到消彌振動波在邊界處反射的作用。
展開 Abaqus常見問題之LOAD、JOB、Visualization
5) 對于在三維實體單元模型的邊上施加分布載荷，可以采用以下兩種方法：
① 將待施加載荷的邊與一個參考點耦合，然后在參考點上施加集中載荷。
② 定義具有極小彈性模量的梁單元，在梁與載荷邊之間建立綁定約束，然后在梁上施加線載荷。
6) 面載荷(surface traction)與壓力載荷(pressure)的區(qū)別在于：壓力載荷為標(biāo)量，作用方向總是垂直于受力面；而面載荷是矢量，其作用方向可以是任意的。
7) 重力載荷(gravity)與體載荷(body force)的區(qū)別在于：重力載荷中指定的是各方向的重力加速度，而體載荷中指定的是單位體積上的力。
8) 有限元模型的加載方式主要有兩種：施加力載荷或施加位移載荷。在同一節(jié)點的相同自由度上，不能同時施加這兩種載荷。
9) 在使用ABAQUS/Standard分析復(fù)雜非線性問題時，若力載荷導(dǎo)致分析無法收斂，可以考慮暫時不施加力載荷，先根據(jù)經(jīng)驗估計模型的位移量并施加相應(yīng)的位移載荷，再在后續(xù)分析步驟中移除位移載荷并恢復(fù)施加力載荷。
10) 對于一般(general)分析步，載荷和邊界條件的設(shè)定是以總量為基礎(chǔ)，而非增量。
11) 通過預(yù)定義場可以設(shè)定速度場、角速度場、溫度場以及初始狀態(tài)等模型參數(shù)。
12) 速度與角速度可以在邊界條件和預(yù)定義場中進行定義，但二者的含義和應(yīng)用場景有所不同。
13) 平衡初始地應(yīng)力的一種常用方法是：首先將重力載荷施加于土體模型，配合相應(yīng)的邊界條件，計算得到重力載荷作用下的應(yīng)力場；然后將該應(yīng)力場定義為初始應(yīng)力場，并與重力載荷一起施加于原始有限元模型，從而獲得既滿足平衡條件又符合屈服準則的初始應(yīng)力場，保證各節(jié)點的初始位移近似為零。
JOB模塊：
1）在“Job Manager”對話框中，通過單擊“Monitor”選項可以實時監(jiān)控分析作業(yè)的執(zhí)行狀態(tài)。
展開 基于ANSYS某地鐵盾構(gòu)隧道掘進過程數(shù)值模擬分析
【建模過程】：
1、首先建立隧道附近的四分之一模型，注意網(wǎng)格的局部細分。
2、利用對稱性，建立二分之一隧道模型，并建立隧道上方和下方土體模型。
3、利用對稱性，建立整個隧道平面模型
4、利用面拉伸成體的思路，通過輔助單元建立實體單元，這里實體單元采用soild186進行模擬。
注意拉伸時的一個額外命令的使用：
extopt,aclear,1
該命令意思也即是在拉伸完成后刪除母體單元mesh200
5、由于在拉伸時候都是默認的材料號為1，拉伸完成后需根據(jù)不同的位置，選擇不同的土體進行材料參數(shù)的改變。
6、約束條件的設(shè)置，本次約束取土地地面為全約束，各側(cè)邊約束為平行法向方向固定約束。頂面除四周邊界線有約束外，其余地方皆無約束。整個示意圖如下：
7、自重應(yīng)力場的求解。
8、利用重啟動和單元生死功能，模擬盾構(gòu)掘進過程。
【結(jié)果查看】
1、自重應(yīng)力場求解后的相關(guān)結(jié)果
Y方向應(yīng)力云圖：
位移云圖：
2、地層位移分析
地層位移本例是指相對于自重固結(jié)下的位移，因而在分析地層位移時需要采用荷載工況的手段減去第一步在自重計算下的結(jié)構(gòu)位移。
展開 
發(fā)了那么多SCI，有興趣了解一下“SCI效應(yīng)”么？ | 新論文：考慮“場地-城市效應(yīng)”的區(qū)域建筑震害
“Garbage in, garbage out”
雖然從道理上說“城市-場地效應(yīng)”非常重要，但實際研究的難度很大：“場地-城市效應(yīng)”不但需要模擬地下若干平方公里范圍內(nèi)土體的非線性響應(yīng)，還要模擬地上幾百棟建筑的非線性響應(yīng)，更要考慮場地-城市之間的相互作用。因此，現(xiàn)有的研究要么把地上的建筑或地下土體簡化成一些線性質(zhì)量塊，要么不考慮地上建筑對地下土體振動的影響，同時考慮地上、地下非線性行為和耦合效應(yīng)的模擬還沒有見到。
二、研究方法
因此，本文通過與香港科技大學(xué)王剛教授、黃杜若博士等合作，基于我們課題組開發(fā)的城市建筑群非線性MDOF模型和Mazzieri 等開發(fā)的地下波動分析開源程序SPEED，編制了“場地-城市效應(yīng)”模擬程序，程序的執(zhí)行思路如圖4所示。
圖4 場地-城市效應(yīng)計算程序流程
首先從基巖輸入地震動，進行場地波動模擬，將場地波動模擬得到的地面加速度輸入地上建筑，得到地上建筑的地震響應(yīng)。再把計算得到的建筑基地反力輸入地下土體，得到建筑對地震動傳播的影響。重復(fù)上述過程，直到完成一次地震運動。
三、案例分析
那“場地-城市效應(yīng)”到底會給地面建筑的地震破壞帶來哪些影響呢？我們以清華校園遭受1679年三河-平谷8級地震場景為例開展研究。我們建立了清華校園619棟建筑，以及清華校園周圍3km x 3km x 350m范圍內(nèi)的土體模型（圖5），然后輸入三河-平谷8級地震的模擬基巖地震動輸入。
圖5 清華校園計算案例
計算得到的清華校園建筑地震響應(yīng)如圖6所示。
圖6 場地-城市效應(yīng)下建筑地震響應(yīng)
我們將考慮“場地-城市效應(yīng)”和不考慮“場地-城市效應(yīng)”的計算結(jié)果進行對比，如圖7所示。
展開 基于Plaxis 2D的HSM模型在基坑開挖中的應(yīng)用
基坑開挖數(shù)值分析中的一個關(guān)鍵問題是選取一個合適的土體本構(gòu)模型。而通過對基坑開挖過程中土體的主要應(yīng)力變化路徑進行分析，發(fā)現(xiàn)模擬開挖條件下的土體本構(gòu)模型應(yīng)能合理考慮土體變形特性的應(yīng)力路徑相關(guān)性和壓硬性。Hardening Soil Model 采用了不同的加荷與卸荷模量，能夠反映土體應(yīng)力路徑的影響，且考慮了土體模量的應(yīng)力水平相關(guān)性，能預(yù)測得到較合理的坑壁側(cè)移、地表沉降以及支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，因而建議采用Hardening Soil Model進行基坑開挖數(shù)值模擬分析。
Hardening Soil Model 介紹
Hardening Soil Model (HSM)是Schanz等提出的一種以塑性理論為基礎(chǔ)的雙屈服面模型。該模型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采取了Kondner等建議的雙曲線形式，如圖1所示。塑性部分采取了各向同性的硬化準則，可同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，該模型采用了 Mohr-Coulomb 準則來描述土體的破壞行為。
展開 COMSOL顆粒夾雜多孔介質(zhì)多相材料達西滲流模擬
在實際工程中滲流路徑往往不是單一材料，如滲流發(fā)生在夾雜碎石的土體中，這就造成滲流的復(fù)雜性。這里采用兩項材料通過COMSOL達西定律模塊對滲流進行模擬。
模型采用CAD隨機球體顆粒&過渡區(qū)插件建立后導(dǎo)入到COMSOL軟件內(nèi)。
模型包括滲流發(fā)生的外側(cè)基體、內(nèi)部顆粒、顆粒及基體過渡區(qū)（ITZ）三部分組成，由于內(nèi)部顆粒的滲透系數(shù)遠小于基體，因此可將其省略，邊界置為無流動。設(shè)置過渡區(qū)的目的是在實際情況中，土體及內(nèi)部碎石顆粒間往往會有孔隙，這就造成了接觸面的實際滲透率遠高于土體，模型剖切面如下。
模型設(shè)置左右兩側(cè)的水頭差，最終壓力及流速模擬結(jié)果如下。
展開 土-樁-隔震結(jié)構(gòu) 多尺度耦合動力響應(yīng)分析
本文的研究思路將從材料本構(gòu)模型的驗證出發(fā)，從結(jié)構(gòu)構(gòu)件到隔震支座，最后再到整體結(jié)構(gòu)，對這幾個部分的動力響應(yīng)進行研究。
3 材料本構(gòu)及構(gòu)件模型解讀與分析
3.1地基土體
當(dāng)前由研究人員所提出的每種土體本構(gòu)模型僅能夠反映土的某一類或幾類現(xiàn)象，具有一定的應(yīng)用范圍和局限性。對于樁－土－隔震結(jié)構(gòu)這一耦合體系的動力相互作用，涉及到上部結(jié)構(gòu)、隔震層、地基等多種因素，再加上復(fù)雜的土體性質(zhì)，土體本構(gòu)模型需有針對性的選用。
在<a href="/major/<a href="/major/<a href="/major/ABAQUS 中常用的土體本構(gòu)模型包括：線彈性模型、DC模型（應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見圖1-1）、Mohr-Coulomb模型（屈服面見圖1-2），Drucker-Prager模型等。由于現(xiàn)有的土體本構(gòu)模型無法滿足土體所有特點，需根據(jù)所研究問題選取合適的土體本構(gòu)和計算參數(shù)。本文以常見的均勻土層作為地基土，采用ABAQUS中以粘彈性理論為基礎(chǔ)的等效線性模型，盡管仍有不足，但該模型是基于大量實驗結(jié)果歸納得到，形式簡單直觀，適用于考慮樁-土耦合對隔震結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的初步分析。
圖1-1 DC模型關(guān)于三軸試驗的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系
圖1-2 主應(yīng)力空間中的 MC 屈服面
3.2混凝土
當(dāng)遭遇強烈地震作用時，結(jié)構(gòu)將進入非線性階段，其材料特性發(fā)生較大改變，若只進行線彈性分析則所得結(jié)果有較大誤差，因此建筑結(jié)構(gòu)的時程分析應(yīng)考慮材料的非線性特性。
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