有限元法模拟三轴固结排水实验及Abaqus初始应力场配置

模型概况

土体试样尺寸：高 8 cm，直径 4 cm；

土体力学参数：弹性模量 10MPa，泊松比 0.3，粘聚力 10 kPa，内摩擦角 30°;

试验荷载：围压 100kPa；

试验类型：等应变式三轴试验，竖向应变为 10%；

模拟的目标

1、等压固结完成时的应力状态

2、获得三轴试验剪切破坏时的竖向应力

模型注意事项

1、简化为轴对称问题

2、弹性阶段采用线弹性本构模型，塑性阶段采用莫尔-库伦本构模型

3、将固结完成后的应力状态作为初始状态

4、不考虑等压固结的变形

5、采用 abaqus 的 Geostatic 分析步模拟等压固结完成后的应力状态

6、采用轴对称应力单元 CAX4 ，只划分一个单元

7、剪胀角采用 abaqus 默认的最小值 0.1°

有限元模型

注：斜体样式只划分一个单元，单元类型 ：4节点线性轴对称应力单元

竖向应力与竖向应变关系

得到土体试样剪切破坏时的竖向应力为 334.6kPa，与理论计算结果一致。

土体试样的初始应力场设置

初始应力的设置需要满足平衡条件：等效节点荷载要和外部荷载、边界条件平衡。如果达不到平衡，将不能得到一个位移为零的初始状态。此时所产生的应力场也不是所施加的初始应力场。

在本例中，等压固结完成后的应力场为：三个方向的主应力都为 100kPa。在初始步设置初始应力如下：

在 Geostatic 分析步定义边界条件为：对称轴处 X 方向位移为零，底部 Y 方向位移为零。在顶面和右侧施加围压 100kPa。得到的初始应力场如下：

对应的土体试样位移云图如下，可以判断 Geostatic 分析步未产生位移：

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