涵洞施工弹塑性有限元模拟分析
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摘要
涵洞是埋设在填土下的输水建筑物，它在水利、交通、供排水工程中被广泛使用。本文通过研编弹塑性有限元程序，模拟并分析了涵洞施工全过程(包括：基坑开挖、涵洞主体施工、基坑及上覆土体回填)中计算域土体变形和应力的变化规律。
用有限元法模拟分析涵洞基坑开挖时，采用分层、分步模拟开挖过程的方法，即将计算域内单元分层“挖去”，使开挖表面成为无应力表面的方法，分析土体在卸载状态时的应力场和位移场随开挖深度的变化规律；在洞体施工后，回填土体时，据开挖完成时的应力场、位移场，通过逐级增加计算域内的单元数目，施加每级新增加单元的自重荷载，利用有限元法模拟基坑及上覆土体分层填筑的施工过程，这不仅反映土体处于再加载应力状态时，填土受力及变形的一般规律，而且这种将地基——涵洞——土体作为一个统一整体进行模拟的方法，量化了三者之间的相互作用关系。
用有限元法模拟分析这种施工过程，反映了土体在不同施工阶段的应力状态，体现了土体从基坑开挖时处于卸载应力状态到基坑及上覆土体回填时土体处于再加载应力状态这一应力路径对其变形和应力的影响。模拟分析再现了土体的非线性本构关系，得到了基坑开挖时土体变形和应力变化的一般规律；在基坑及上覆土体回填时，通过分层填筑的有限元模拟和地基、涵洞、土体三者相互作用的有限元分析，得到施工结束
太原理工大学硕士学位论文
时的位移场和应力场，同时求得涵洞的结构内力。
整个施工过程的有限元模拟分析，真实反映场内各点的应
力、应变(内力和位移)，为涵洞的结构分析计算提供了客观、
合理的结果，具有重要的实际意义，为涵洞这类构(建)筑物
的施工提供参考、为设计提供科学依据。
The culvert is the works buried under the fillings, which is often used in Hydraulics, Communication, and Water supplying engineering. The whole procedure of construction, including foundation-pit excavation, the body construction and foundation-pit filling, was simulated and analyzed by using elastic-plastic FEM procedure programmed by myself. And the laws of stress field and displacement field were obtained.
In the simulation and analysis on culvert construction, the method of foundation-pit excavation layer by layer and step by step was used, i.e. the method that makes the surface of excavation have no stress, when the elements were excavated gradually in period of construction. At this process, the state of soil is unloading, the laws of stress field and displacement field with the depth of excavation were studied. Based on the obtained stress field and displacement field after the excavation was completed, by using of the newly increased filling-elements' gravity and the grinding force, the simulation of the construction of body of the culvert and foundation-pit's filling layer by layer had also been done in this dissertation. The simulation not only reflected the laws of the filling soil's loading and deformation when it lied in reloading state, but also the real interaction between the foundation, the culvert and the body of soil was simulated and the relationship of them was quantified.
Using the finite element method (FEM), the simulation and analysis on this construction process were carried on, and the different stress state of soil at different construction period was rendered. And the influence of different
stress paths (foundation excavation-unloading & excavation filling-reloading) on the stress and the displacement was also reflected and researched. The law of non-linear constitutes of soil was presented in the simulation and analysis. Thus, the general laws of changing stress and strain or settlement at these two different states (unloading increasingly and reloading increasingly) were obtained and offered objectively.
So, the field of stress and displacement obtained through this method of simulation was real and objective for the analysis and design of culvert structure. The simulation of the whole procedure of construction was very vital in construction practice. All these laws were good references to construction of the works like culverts and the most important basis for construction design and structural design.
用有限元法模拟分析涵洞基坑开挖时，采用分层、分步模拟开挖过程的方法，即将计算域内单元分层“挖去”，使开挖表面成为无应力表面的方法，分析土体在卸载状态时的应力场和位移场随开挖深度的变化规律；在洞体施工后，回填土体时，据开挖完成时的应力场、位移场，通过逐级增加计算域内的单元数目，施加每级新增加单元的自重荷载，利用有限元法模拟基坑及上覆土体分层填筑的施工过程，这不仅反映土体处于再加载应力状态时，填土受力及变形的一般规律，而且这种将地基——涵洞——土体作为一个统一整体进行模拟的方法，量化了三者之间的相互作用关系。
用有限元法模拟分析这种施工过程，反映了土体在不同施工阶段的应力状态，体现了土体从基坑开挖时处于卸载应力状态到基坑及上覆土体回填时土体处于再加载应力状态这一应力路径对其变形和应力的影响。模拟分析再现了土体的非线性本构关系，得到了基坑开挖时土体变形和应力变化的一般规律；在基坑及上覆土体回填时，通过分层填筑的有限元模拟和地基、涵洞、土体三者相互作用的有限元分析，得到施工结束
太原理工大学硕士学位论文
时的位移场和应力场，同时求得涵洞的结构内力。
整个施工过程的有限元模拟分析，真实反映场内各点的应
力、应变(内力和位移)，为涵洞的结构分析计算提供了客观、
合理的结果，具有重要的实际意义，为涵洞这类构(建)筑物
的施工提供参考、为设计提供科学依据。
The culvert is the works buried under the fillings, which is often used in Hydraulics, Communication, and Water supplying engineering. The whole procedure of construction, including foundation-pit excavation, the body construction and foundation-pit filling, was simulated and analyzed by using elastic-plastic FEM procedure programmed by myself. And the laws of stress field and displacement field were obtained.
In the simulation and analysis on culvert construction, the method of foundation-pit excavation layer by layer and step by step was used, i.e. the method that makes the surface of excavation have no stress, when the elements were excavated gradually in period of construction. At this process, the state of soil is unloading, the laws of stress field and displacement field with the depth of excavation were studied. Based on the obtained stress field and displacement field after the excavation was completed, by using of the newly increased filling-elements' gravity and the grinding force, the simulation of the construction of body of the culvert and foundation-pit's filling layer by layer had also been done in this dissertation. The simulation not only reflected the laws of the filling soil's loading and deformation when it lied in reloading state, but also the real interaction between the foundation, the culvert and the body of soil was simulated and the relationship of them was quantified.
Using the finite element method (FEM), the simulation and analysis on this construction process were carried on, and the different stress state of soil at different construction period was rendered. And the influence of different
stress paths (foundation excavation-unloading & excavation filling-reloading) on the stress and the displacement was also reflected and researched. The law of non-linear constitutes of soil was presented in the simulation and analysis. Thus, the general laws of changing stress and strain or settlement at these two different states (unloading increasingly and reloading increasingly) were obtained and offered objectively.
So, the field of stress and displacement obtained through this method of simulation was real and objective for the analysis and design of culvert structure. The simulation of the whole procedure of construction was very vital in construction practice. All these laws were good references to construction of the works like culverts and the most important basis for construction design and structural design.
引文
[1] Clough, R. W. and Woodward R. J. Analysis of Embankment Stresses and Deformations. Soil Mech. Founds. Div. ASCE, Vol. 93, SM4, p529-549, 1967.
[2] Tusui. Y & G. M. Clough, Plane Strain Approximation in Finite Element Analysis of Temporary Walls, ASCE Geotech, Conf. Austin, Tex, June 1974.
[3] 孙更生，郑大同，软土地基与地下工程，北京，中国建筑工业出版社，1984。
[4] 曾国熙，软粘土地基基坑开挖性状的研究，岩土工程学报，1988．3。
[5] 张崇文，采油平台与土相互作用的动态有限元分析，岩土工程学报，1994，1。
[6] 肖专文，林韵梅，深基坑支护结构与土体变形的有限元分析，沈阳建筑工程学院学报，1996年1期。
[7] Tadros, Maher K. Benak, Joseph V. Soil pressure on box culverts, ACI structural Journal V86 n4. 1989, p439-450.
[8] Sharma, Sunil, Hardcastle, James, H, Evaluation of culvert deformation using the finite elements method, Transportation Research Recordn 1415, 1993, p23-29.
[9] Tokyo Electr. Power Serv. Co. Ltd. Analytical Study of Nonlinear Behavior of Box Culvert by FEM, Konkurito Kogaku Nenji Rinbu Hokokushu, 1999, vol. 21, No. p1276-1272.
[10] 张发祥，拱形涵洞的受力分析和选型，河海大学学报，1995年第3期，p58-63。
[11] 龙志飞，芩松编著，有限元法新论：原理、程序、进展，北京，中国水利水电出版社，2001，9
[12] 沈珠江著，理论土力学，北京，中国水利水电出版社，2000，5。
[13] 张学言，岩土塑性力学，北京，人民交通出版社，1993，9。
[14] 夏志皋，塑性力学，上海，同济大学出版社，1992年。
[15] 郑宏，葛修润，谷先荣，丰定祥，关于岩土工程有限元分析中的若干问题，岩土力学，Vol．16，No．3，Sept 1995。
[16] 潘别桐，黄润秋主编，工程地质数值法，北京，地址出版社，1994。
[17] 德赛C．S．，阿贝尔J．F．著，有限元素法引论，江伯南，尹泽勇译，徐之伦校译，北京，科学出版社，1978年。
[18] 高俊合，赵维炳，李兴文，深开挖有限元分析中释放荷载模拟—三种常用方法比较及改进的Mana法，河海大学学报[J]，Vol．27No．1．Jan．1999。
[19] 王勇，关于“有限元分析中开挖释放荷载的正确计算”的答复，河海大学学报[J]，Vol．27No．3．May．1999。
[20] 张青，有限元分析中开挖释放荷载的正确计算—对“有限元计算深开挖等效荷载的分析”一文的讨论，河海大学学报[J]，Vol．27No．3．May．1999。
[21] 王勇，殷宗泽，有限元计算深开挖等效荷载的分析，河海大学学报[J]，Vol．26 No．5．Oct．．1998。
[22] 王敏强，许原，有限元分析中开挖释放荷载的计算的讨论，武汉大学学报(工学版) [J]，Vol．34 No．1 Feb．2001。
[23] 孙钧，汪炳键，地下结构有限元法解析，上海，同济大学出版，1988。
[24] Walter Brainerd, Charles H. Goldberg, Jeanne C. Adams，袁驷，叶康生译，Fortran 90编程指南(第三版)，北京，高等教育出版社，1998。
[25] 唐章宏，薛塞男，冯峰，梁晖编著，Visual Fortran程序设计，北京，人民邮电出版社，2000，8。
[26] 何新贵，徐祖渊，吴庆宝，陈明远编著，Fortran 90标准程序设计语言丛书，北京，中国铁道出版社，1994，7。
[27] 桂良进，王军，董波编著，Fortran PowerStation4．0使用与编程，北京，北京航空航天大学出版社，1999．8。
[28] [美]陈惠发 著，余天庆，王勋文，刘再华，译 土木工程材料的本构方程(第二卷 塑性与建摸)，武汉，华中科技大学出版社，2002年5月。
[29] 临汾地区水利勘测设计院，临汾地区浍河水库加固工程初步设计
说明书，1996年11月。
[30] 张汝清，董明，结构计算程序设计，重庆，重庆出版社，1988。
[31] 黄文熙主编，土的工程性质，北京，水利电力出版社，1983。
[32] 龚晓南，土塑性力学，杭州，浙江大学出版社，1990。
[33] [美]陈惠发 著，余天庆，王勋文，刘再华，译 土木工程材料的本构方程(第二卷 塑性与建摸)，武汉，华中科技大学出版社，2002年5月。
[34] 《公路桥涵设计手册》编写组，桥涵基本资料，下册，北京，人民交通出版社，1976年10月。
[35] 铁道部第三设计院，桥梁地基和基础，北京，人民铁道出版社，1978年2月。
[36] 华东水利学院，水工设计手册，土石坝分册，北京，水利水电出版社，1984年。
[37] 王宏硕等，水工建筑物专题部分，北京，水利水电出版社，1991。
[38] 陈慧远，土石坝有限元分析，南京，河海大学出版社，1988，5。
[39] 钱家欢，殷宗泽，土工原理与计算(第二版)，北京，中国水利水电出版社，1996。
[40] 殷宗泽，朱泓等，土与结构材料接触面的变形及其数学模型，岩土工程学报，Vol．16，No．3，May，1994。
[41] 刘永仁，结构分析中的程序设计，上海，同济大学出版社，1992。
[42] 朱百里，沈珠江，计算土力学，上海，上海科学技术出版社，1990。
[43] 蒋友谅编著，非线性有限元法，北京，北京工业学院出版社，1988。
[44] W. F. Chen and G. Y. Baladi (1985), Soil Plasticity, Developments in Geotechnical Engineering.
[45] Chen W. F. (1975) Limit Analysis and Soil Plasticity, Elsevier, Amsterdan, p638.
[46] Chen W. F. and Saleeb, A. F. (1982), Constitutive Equations for Engineering Materials, Vol. 1, John, Wiley and Sons, New York, p580.
[47] Chen W. F. and McCarron, W. O. (1983), Modeling of Soils and Rocks Based on Concepts of Plasticity, Proceeding of the Symposium on
Recent Development in Laboratory and Field Test and Analysis of Geotechnical Problems, Bangkok, p467-510.
[48] W. F. Chen and G. Y. Baladi (1985), Soil Plasticity Theory and Implementation, Elsevier Science Publishing Company, New York, p231.
[49] Mizuno, E. and Chen, W. F. (1984), Plasticity Modeling and Its Application to Geotechanics, Proceeding of the Symposium on Recent Development in Laboratory and Field Test and Analysis of Geotechnical Problems, Rotterdam, p391-426.
[50] Toshihiro Noda, G. S. K. Fernando and Akira Asaoka Delayed Failure in Soil Clay Foundation, Vol. 40, No.1.85-97, Feb.2000 Japanese Geotechnical Society.
[51] G. Mesri and Y. K. Choi Settlement Analysis of Embankment on Soft Clays. Vol. 111, No4,Apr. 1985, Journal of Geotechnical Engineering.
[52] 刘建航，侯学渊主编，基坑工程手册，北京，中国建筑工业出版社，1996年，p56-72。
[53] Chang, C. S. DEM, Analysis of distributions of active and passive pressure on retaining wall. Computer & Geotechnical, 1994, 16(4): 291-310.
[54] Eisenstein Z, Medeiros L V. A deep retaining structure in till and sand. Part 2, performance and analysis. Can. Geotech. [J], 1983, 20(1): 131-140.
[55] 刘正兴等，计算固体力学，上海，上海交通大学出版社，2000，12。
[56] 王勖成，邵敏编，有限元法基本原理与数值方法(第二版)，北京，清华大学出版社，1997．3。
[57] 江见鲸，傅德炫，王立翔，建筑结构计算机分析几程序，北京，清华大学出版社，北京，1998，7。
[58] Mana A I, and Clough G W. Production of movements for braced cuts clay, Joural of Geotech, Engrg, Division, ASCE 1981 107, 759-778.
[59] Chandrasekaran V S, King G J, Simulation of Excavation Sing Finite Elements, Joural of Geotech, Engrg. Division ASCE, 1974, 100(GT9), 1086-1089.
[60] 孙钧著，岩土材料流变及其工程应用，北京，中国建筑工业出版社，1999．12。
[61] 刘特洪，林天健，软岩工程设计理论及施工实践，北京，中国建筑工业出版社，2001，5。
[62] 谢永利，大变形固结理论及其有限元分析，[博士学位论文]，杭州，浙江大学，1994，12
[2] Tusui. Y & G. M. Clough, Plane Strain Approximation in Finite Element Analysis of Temporary Walls, ASCE Geotech, Conf. Austin, Tex, June 1974.
[3] 孙更生，郑大同，软土地基与地下工程，北京，中国建筑工业出版社，1984。
[4] 曾国熙，软粘土地基基坑开挖性状的研究，岩土工程学报，1988．3。
[5] 张崇文，采油平台与土相互作用的动态有限元分析，岩土工程学报，1994，1。
[6] 肖专文，林韵梅，深基坑支护结构与土体变形的有限元分析，沈阳建筑工程学院学报，1996年1期。
[7] Tadros, Maher K. Benak, Joseph V. Soil pressure on box culverts, ACI structural Journal V86 n4. 1989, p439-450.
[8] Sharma, Sunil, Hardcastle, James, H, Evaluation of culvert deformation using the finite elements method, Transportation Research Recordn 1415, 1993, p23-29.
[9] Tokyo Electr. Power Serv. Co. Ltd. Analytical Study of Nonlinear Behavior of Box Culvert by FEM, Konkurito Kogaku Nenji Rinbu Hokokushu, 1999, vol. 21, No. p1276-1272.
[10] 张发祥，拱形涵洞的受力分析和选型，河海大学学报，1995年第3期，p58-63。
[11] 龙志飞，芩松编著，有限元法新论：原理、程序、进展，北京，中国水利水电出版社，2001，9
[12] 沈珠江著，理论土力学，北京，中国水利水电出版社，2000，5。
[13] 张学言，岩土塑性力学，北京，人民交通出版社，1993，9。
[14] 夏志皋，塑性力学，上海，同济大学出版社，1992年。
[15] 郑宏，葛修润，谷先荣，丰定祥，关于岩土工程有限元分析中的若干问题，岩土力学，Vol．16，No．3，Sept 1995。
[16] 潘别桐，黄润秋主编，工程地质数值法，北京，地址出版社，1994。
[17] 德赛C．S．，阿贝尔J．F．著，有限元素法引论，江伯南，尹泽勇译，徐之伦校译，北京，科学出版社，1978年。
[18] 高俊合，赵维炳，李兴文，深开挖有限元分析中释放荷载模拟—三种常用方法比较及改进的Mana法，河海大学学报[J]，Vol．27No．1．Jan．1999。
[19] 王勇，关于“有限元分析中开挖释放荷载的正确计算”的答复，河海大学学报[J]，Vol．27No．3．May．1999。
[20] 张青，有限元分析中开挖释放荷载的正确计算—对“有限元计算深开挖等效荷载的分析”一文的讨论，河海大学学报[J]，Vol．27No．3．May．1999。
[21] 王勇，殷宗泽，有限元计算深开挖等效荷载的分析，河海大学学报[J]，Vol．26 No．5．Oct．．1998。
[22] 王敏强，许原，有限元分析中开挖释放荷载的计算的讨论，武汉大学学报(工学版) [J]，Vol．34 No．1 Feb．2001。
[23] 孙钧，汪炳键，地下结构有限元法解析，上海，同济大学出版，1988。
[24] Walter Brainerd, Charles H. Goldberg, Jeanne C. Adams，袁驷，叶康生译，Fortran 90编程指南(第三版)，北京，高等教育出版社，1998。
[25] 唐章宏，薛塞男，冯峰，梁晖编著，Visual Fortran程序设计，北京，人民邮电出版社，2000，8。
[26] 何新贵，徐祖渊，吴庆宝，陈明远编著，Fortran 90标准程序设计语言丛书，北京，中国铁道出版社，1994，7。
[27] 桂良进，王军，董波编著，Fortran PowerStation4．0使用与编程，北京，北京航空航天大学出版社，1999．8。
[28] [美]陈惠发 著，余天庆，王勋文，刘再华，译 土木工程材料的本构方程(第二卷 塑性与建摸)，武汉，华中科技大学出版社，2002年5月。
[29] 临汾地区水利勘测设计院，临汾地区浍河水库加固工程初步设计
说明书，1996年11月。
[30] 张汝清，董明，结构计算程序设计，重庆，重庆出版社，1988。
[31] 黄文熙主编，土的工程性质，北京，水利电力出版社，1983。
[32] 龚晓南，土塑性力学，杭州，浙江大学出版社，1990。
[33] [美]陈惠发 著，余天庆，王勋文，刘再华，译 土木工程材料的本构方程(第二卷 塑性与建摸)，武汉，华中科技大学出版社，2002年5月。
[34] 《公路桥涵设计手册》编写组，桥涵基本资料，下册，北京，人民交通出版社，1976年10月。
[35] 铁道部第三设计院，桥梁地基和基础，北京，人民铁道出版社，1978年2月。
[36] 华东水利学院，水工设计手册，土石坝分册，北京，水利水电出版社，1984年。
[37] 王宏硕等，水工建筑物专题部分，北京，水利水电出版社，1991。
[38] 陈慧远，土石坝有限元分析，南京，河海大学出版社，1988，5。
[39] 钱家欢，殷宗泽，土工原理与计算(第二版)，北京，中国水利水电出版社，1996。
[40] 殷宗泽，朱泓等，土与结构材料接触面的变形及其数学模型，岩土工程学报，Vol．16，No．3，May，1994。
[41] 刘永仁，结构分析中的程序设计，上海，同济大学出版社，1992。
[42] 朱百里，沈珠江，计算土力学，上海，上海科学技术出版社，1990。
[43] 蒋友谅编著，非线性有限元法，北京，北京工业学院出版社，1988。
[44] W. F. Chen and G. Y. Baladi (1985), Soil Plasticity, Developments in Geotechnical Engineering.
[45] Chen W. F. (1975) Limit Analysis and Soil Plasticity, Elsevier, Amsterdan, p638.
[46] Chen W. F. and Saleeb, A. F. (1982), Constitutive Equations for Engineering Materials, Vol. 1, John, Wiley and Sons, New York, p580.
[47] Chen W. F. and McCarron, W. O. (1983), Modeling of Soils and Rocks Based on Concepts of Plasticity, Proceeding of the Symposium on
Recent Development in Laboratory and Field Test and Analysis of Geotechnical Problems, Bangkok, p467-510.
[48] W. F. Chen and G. Y. Baladi (1985), Soil Plasticity Theory and Implementation, Elsevier Science Publishing Company, New York, p231.
[49] Mizuno, E. and Chen, W. F. (1984), Plasticity Modeling and Its Application to Geotechanics, Proceeding of the Symposium on Recent Development in Laboratory and Field Test and Analysis of Geotechnical Problems, Rotterdam, p391-426.
[50] Toshihiro Noda, G. S. K. Fernando and Akira Asaoka Delayed Failure in Soil Clay Foundation, Vol. 40, No.1.85-97, Feb.2000 Japanese Geotechnical Society.
[51] G. Mesri and Y. K. Choi Settlement Analysis of Embankment on Soft Clays. Vol. 111, No4,Apr. 1985, Journal of Geotechnical Engineering.
[52] 刘建航，侯学渊主编，基坑工程手册，北京，中国建筑工业出版社，1996年，p56-72。
[53] Chang, C. S. DEM, Analysis of distributions of active and passive pressure on retaining wall. Computer & Geotechnical, 1994, 16(4): 291-310.
[54] Eisenstein Z, Medeiros L V. A deep retaining structure in till and sand. Part 2, performance and analysis. Can. Geotech. [J], 1983, 20(1): 131-140.
[55] 刘正兴等，计算固体力学，上海，上海交通大学出版社，2000，12。
[56] 王勖成，邵敏编，有限元法基本原理与数值方法(第二版)，北京，清华大学出版社，1997．3。
[57] 江见鲸，傅德炫，王立翔，建筑结构计算机分析几程序，北京，清华大学出版社，北京，1998，7。
[58] Mana A I, and Clough G W. Production of movements for braced cuts clay, Joural of Geotech, Engrg, Division, ASCE 1981 107, 759-778.
[59] Chandrasekaran V S, King G J, Simulation of Excavation Sing Finite Elements, Joural of Geotech, Engrg. Division ASCE, 1974, 100(GT9), 1086-1089.
[60] 孙钧著，岩土材料流变及其工程应用，北京，中国建筑工业出版社，1999．12。
[61] 刘特洪，林天健，软岩工程设计理论及施工实践，北京，中国建筑工业出版社，2001，5。
[62] 谢永利，大变形固结理论及其有限元分析，[博士学位论文]，杭州，浙江大学，1994，12