地基與結(jié)構(gòu)的非線性特征.ppt

,地基與結(jié)構(gòu)的非線性特征和共同作用,11地基與結(jié)構(gòu)的非線性特征和共同作用,土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 土的變形特征和本構(gòu)模型 鋼筋混凝土的材料變形性質(zhì)的非線性特征 地基土與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的非線性共同作用和反演分析理論,11.1 概述,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系： 亦稱本構(gòu)關(guān)系，是在整理分析試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出來的。 在試驗基礎(chǔ)上提出某種數(shù)學(xué)模型，把特定條件下的試驗結(jié)果推廣到一般情況，這種數(shù)學(xué)模型就叫做本構(gòu)模型 。,彈性變形、塑性變形,一般情況下巖土類介質(zhì)在應(yīng)力超過一定限度（彈性極限或稱屈服應(yīng)力）后，其變形在卸載后有一部分變形可恢復(fù)，另一部分變形是不可恢復(fù)的，前者稱可逆變形或彈性變形，后者一般稱為不可逆變形或是塑性變形。,傳統(tǒng)的彈性理論是基于金屬材料的變形機(jī)制發(fā)展起來的 。 巖土的變形性態(tài)不完全等同于金屬材料，土有別于金屬和混凝土等連續(xù)的統(tǒng)一體固體材料，需要研究巖土彈塑性狀態(tài)下特有的屬性。,應(yīng)力與應(yīng)變,應(yīng)力球張量和應(yīng)力偏張量 I1 J1 J2,共同作用分析,結(jié)構(gòu)物的重量由土的支承力和地下水的浮力來平衡，即通常所說的靜力平衡。 上部結(jié)構(gòu)與其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和支承介質(zhì)地基土組成靜力平衡體系，這三部分是彼此不可分離的整體，每一部分的工作性狀都是三者共同作用的結(jié)果。,11.3 土的本構(gòu)模型,11.3.1 土的變形特性 三軸壓縮試驗：真三軸，常規(guī)三軸 1）非線性和彈塑性,土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 (a) 硬化型 (b) 軟化型,土體具有的剪縮和剪脹特征統(tǒng)稱剪脹性 。 對于軟土和松砂，剪應(yīng)力引起土體壓縮，稱為剪縮；對于密實粘土和緊砂，剪應(yīng)力引起土體膨脹，稱為剪脹 。,砂土的剪脹性,正常固結(jié)粘土與松砂應(yīng)力應(yīng)變雙曲線,超固結(jié)粘土或密實砂,2）應(yīng)力路徑和應(yīng)力歷史的影響,應(yīng)力路徑是指應(yīng)力空間中代表應(yīng)力狀態(tài)點在加載時移動的軌跡。不同的應(yīng)力路徑代表不同的加荷方式。 應(yīng)力歷史即指歷史上的應(yīng)力路徑，也影響著土體今后的變形。,3）中主應(yīng)力的影響,中主應(yīng)力2對土體變形有影響 。,4）固結(jié)壓力的影響,在土體的三軸試驗中，大幅度地改變固結(jié)壓力3將發(fā)現(xiàn)其（1-3）a和av曲線的特征有所不同。 統(tǒng)統(tǒng)表現(xiàn)出剪縮和硬化現(xiàn)象。,三軸壓縮試驗：常規(guī)三軸,5）各向異性,地基土的各向異性分原生和再生兩種。 原生各向異性是由于地基土水平向成層，水平和豎向土的結(jié)構(gòu)有差異，導(dǎo)致土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和滲透性的各向異性。 再生各向異性是土體各向應(yīng)力狀態(tài)不同引起的新的各向異性。,6）流變性,具有彈性、塑性和粘滯性的粘彈塑性體。 土體的應(yīng)變和強(qiáng)度除與有效應(yīng)力有關(guān)外，還受到時間的影響，這種特征稱為土的流變性質(zhì)。 本講,本講要點,了解共同作用分析； 理解土的變形特性,11.3.2 彈性非線性模型,1.Duncan-chang模型； Duncan等人利用常規(guī)三軸壓縮試驗所得的一組試驗曲線，找出其共同數(shù)學(xué)公式，從這一數(shù)學(xué)公式導(dǎo)出切線彈性模量Et的變化公式：,第一類是以彈性模量和泊松比兩個常數(shù)表達(dá)，稱作 非線性彈性模型； 第二類稱作 非線性模型,國內(nèi)外廣泛采用，既適用于粘性土，也適用于砂土，但不適應(yīng)于密砂，超固結(jié)土。 主要優(yōu)點： 可以利用常規(guī)三軸剪切實驗所確定的計算參數(shù)。 局限性：非線性彈性模型一般只適用于荷載不太大的條件，不太接近破壞的條件。 此模型應(yīng)用單一剪切試驗結(jié)果進(jìn)行全部應(yīng)力應(yīng)變分析，均根據(jù)圍壓為常量的試驗結(jié)果推算，因此它適應(yīng)于土體的穩(wěn)定分析為主的工程。 Duncan-chang模型沒有考慮剪脹性和應(yīng)力路徑問題,11.3.3 彈塑性模型,彈塑性模型把總應(yīng)變分為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變兩部分 。 LADE-DANCAN模型，清華大學(xué)的模型。 從能量公式出發(fā)，推導(dǎo)其屈服函數(shù)，并選出加工硬化定律，從而建立應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如著名劍橋模型。,11.4 鋼筋混凝土材料變形性質(zhì)的非線性特征,鋼筋混凝土梁Mn試驗曲線,在混凝土出現(xiàn)裂縫之前，即圖中OA段： 混凝土出現(xiàn)裂縫后，鋼筋進(jìn)入流動狀態(tài)之前，即圖中AB段,長期剛度B為 式中Mq和MK為按荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合、標(biāo)準(zhǔn)組合計算的彎矩，按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GBJ50010-2002）中第8.2.5條采用。,11.5 地基土與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的非線性共同作用,對地基土和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料（鋼筋混凝土）分別采用前述的非線性本構(gòu)關(guān)系，用荷載增量法，即可按共同作用方程進(jìn)行非線性共同作用分析。 對每級荷載建立平衡方程，地基土和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度系按上一級荷載施加后累計的應(yīng)力水平來確定。,（1）地基上的有限大板,考慮基礎(chǔ)材料的非線性可大大提高承載能力的估計值。,（2）地基上的無限大板,(3)空間問題的試驗驗證,地基與基礎(chǔ)不同非線性組合下共同作用的結(jié)果,板為線彈性，地基土亦為線彈性； 板為非線性彈性，地基土仍為線彈性； 板為線彈性，地基土為非線性彈性。 板和地基土均為非線性彈性。,剛性板:地基土的非線性對基底反力和板內(nèi)力的分布形式與數(shù)值大小起著決定性的影響。 柔性板:決定反力和內(nèi)力分布形式與大小的主要因素是鋼筋混凝土的非線性，而地基土的非線性所起作用相比較而言就很小。,不同非線性組合下基礎(chǔ)板計算結(jié)果,11.6 地下工程反分析,首先建立問題的力學(xué)模型，然后根據(jù)介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)、受力狀態(tài)和邊界條件以及施工條件，求出巖土體的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等物理量，這一過程稱之為正分析。 從結(jié)果反過來尋求巖土體的本構(gòu)模型和相應(yīng)的計算參數(shù)的過程與正分析正好相反，稱之為反分析。位移為依據(jù)的位移反分析法為巖土工程反分析中應(yīng)用最為廣泛的方法。,位移反分析