高等土力學一課程考查任務書

1、高等土力學課程考察任務書問題描述：選取某高速公路路基斷面，寬度為12m。路基土層共分為三層，每層厚度均為4m，第一層土為砂土，其彈性模量E=（1+0.01×學號后兩位數(shù)字）×107kpa，第二層為黏土，其彈性模量E=（5+0.01×學號后兩位數(shù)字）×105kpa，第三層為砂土，其彈性模量E=(2+0.01×學號后兩位數(shù)字)×107kpa。三層土的其他有關基本物理特性參數(shù)由學生自己查找相關文獻資料來確定。假設在高速公路路基斷面上作用了兩個對稱的均布荷載q，寬度為0.5m，荷載作用邊緣離斷面中軸線的最短距離為2m。并且，均布荷載為一個呈正

2、弦函數(shù)規(guī)律變化的動荷載，其幅值為（100+學號后兩位數(shù)字）kpa，頻率由學生自己確定。假設在均布荷載作用期間，土的基本物理特性參數(shù)均為恒量，不隨時間改變?；疽螅簩W生采用現(xiàn)成的大型商業(yè)軟件，如ABAQUS,ANSYS,PLAXIS以及FLAC等。針對上述案例，建立自己的數(shù)值模型，模型可以是2D的，也可以是3D的。模型的本構(gòu)關系要求在MC模型、Cam-clay模型、修正的Cam-clay模型。DP模型中進行選擇。通過數(shù)值模擬，學生可以對路基斷面中軸線上各點進行動力響應分析。要求在中軸線上選取5個關鍵點，分別為路面以下2m，4m，6m，8m，10m處。提取這五個點的位移響應曲線、速度響應曲線、應

3、力-應變關系曲線。最后，提交一份完整的計算書，同時附上數(shù)值模擬計算的源程序。解：1、 假設高速公路為單向的三車道第一層砂土剛好在地平線上，第二層為黏土剛好地平線以下， 邊坡為1：1.5。斷面為12m，則邊坡邊緣剛好為24m。2、 利用圣維南原理，取x與y方向各為路基斷面的6倍，因此計算模型可簡化為平面應變問題。假設斷面承受的外力不隨z軸變化，位移和應變都發(fā)生在自身平面內(nèi)。3、 因為荷載隨時間的變化而變化，可采用瞬態(tài)分析。土體單元選取plane183單元來模擬。Plane83為2D八節(jié)點單元，用于模擬實體結(jié)構(gòu)。該單元可以作為平面單元（平面應力、平面應變和廣義平面應變），每個節(jié)點具有2個自由度，即

4、沿著節(jié)點坐標系x和y方向的平動位移?？衫没旌夏Ｊ侥M不可壓縮的彈塑性行為或完全不可壓縮材料的超彈性行為。其特點能夠有效的反應土體的各種性狀。4、 結(jié)構(gòu)各層材料參數(shù)類別厚度（m）彈性模量E（KPa）泊松比v密度D粘聚力c內(nèi)摩擦角膨脹角砂土41.39E+070.3160003320黏土45.39E+050.351800273729砂土42.39E+070.3160003520硬質(zhì)黏土（假設）484.00E+070.2210027.42785、 施加的正弦荷載6、 建立的模型7、 網(wǎng)格劃分8、 豎直方向上的位移云圖9、 中軸線-2、-4、-6、-8、-10處的位移響應曲線結(jié)論：由豎向位移響應曲線可

5、以得到，路基斷面在受正弦荷載情況下，整體由于受到重力影響存在重力加速度，剛開始受力的時候，力逐漸增大又逐漸減小，因此力為正值時是所加速度逐漸增大又逐漸減小的向下加速運動，位移曲線為向上凸的拋物線，當力為負值時，力所對應的加速度減去重力加速度，整體加速度可能向上也可能向下，但由于正值力對應下，使整體具有向下的速度和慣性力，由結(jié)果曲線可知，加速度任然為向下，只是加速度逐漸減小，因此總體位移向下。路基越下面，位移越大。10、 中軸線-2、-4、-6、-8、-10處的速度響應曲線結(jié)論：由達朗貝爾定理，能量原理可知，力做的功轉(zhuǎn)化成動能、勢能和應變能，整體做加速度逐漸增大再減小，再減小再增大的循環(huán)變化，因

6、此，總體的速度方向不變，為向下的增大的，只是向下增大的快慢，受外力f的影響。11、 中軸線-2、-4、-6、-8、-10m處的應變曲線結(jié)論：由彈塑性原理可知應變?yōu)槲灰频膶?shù)：可知應變隨著速度和時間，還有豎向位移的變化而變化。由圖可知應變隨著深度的增加而增加，證明了土力學，等值線下凹的現(xiàn)象12、 中軸線-2、-4、-6、-8、-10m處的應力曲線應力曲線結(jié)果顯示為0，具體還沒弄明白。13、 中軸線-2、-4、-6、-8、-10m處的應力應變曲線結(jié)論：變形在彈性范圍內(nèi)，沒有塑性變形。14、命令流FINISH/CLEAR/CONFIG,NRES,1000 !設置子步結(jié)果限值/nopr !菜單過濾設置

7、keyw,pr_struc,1 !保留結(jié)構(gòu)分析部分菜單/units,SI !單位設置/FILNAME, The subgrade cross-section analysis/TITLE, The subgrade cross-section analysis/PREP7 ET,1,plane183 !定義單元類型Keyopt,1,3,2 !求解類型為平面應變問題!土基4m砂土MP,EX,1,1.39e10MP,PRXY,1,0.3MP,DENS,1,1600tb,dp,1tbdata,0,33,20!底基層4m的黏土MP,EX,2,5.39E8MP,PRXY,2,0.35MP,DENS,2,

8、18000tb,dp,2tbdata,27400,37,29!基層4m砂土MP,EX,3,2.39E10MP,PRXY,3,0.3MP,DENS,3,1600tb,dp,3tbdata,0,35,20! 硬質(zhì)黏土48m（假設） MP,EX,4,4E10MP,PRXY,4,0.2MP,DENS,4,2100tb,dp,4tbdata,274000,27,8Save!創(chuàng)建模型type,1mat,1k,1,6,0k,2,-6,0k,3,-12,-4k,4,12,-4k,5,60,-4k,6,-60,-4k,7,60,-8k,8,12,-8k,9,-12,-8k,10,-60,-8k,11,60,-1

9、2k,12,12,-12k,13,-12,-12k,14,-60,-12k,15,60,-60k,16,12,-60k,17,-12,-60k,18,-60,-60l,1,2l,2,3l,1,4l,4,5l,3,4l,3,6l,5,7l,4,8l,3,9l,6,10l,7,8l,8,9l,9,10l,7,11l,8,12l,9,13l,10,14l,11,12l,12,13l,13,14l,11,15l,12,16l,13,17l,14,18l,15,16l,16,17l,17,18al,1,2,5,3al,4,8,11,7al,5,9,12,8al,6,10,13,9al,11,15,18,

10、14al,12,16,19,15al,13,17,20,16al,18,22,25,21al,19,23,26,22al,20,24,27,23allselGPLOT !所有圖形全部顯示 /PNUM,KP,1 !顯示關鍵點號/PNUM,LINE,1 !顯示線號/PNUM,area,1 !顯示面號/Replot !刷新顯示allsellsel,s,2,3,1 !選擇線L2和L3lesize,all,20 !把所有選擇線分為20份lsel,s,1,5,4 !選擇線L1和L5lesize,all,40 !把所有選擇線分為40份lsel,s,12,26,7 !選擇線L12和L19、l26lesize,

11、all,40 !把所有選擇線分為40份lsel,s,6,27,7 !選擇線L6、L13、L20、l27lesize,all,100 !把所有選擇線分為40份lsel,s,4,25,7 !選擇線L4、L11、L18、l25lesize,all,100 !把所有選擇線分為40份lsel,s,7,10,1 !選擇線L4、L11、L18、l25lesize,all,12 !把所有選擇線分為20份lsel,s,14,17,1 !選擇線L14、L15、L16、L17lesize,all,10 !把所有選擇線分為20份lsel,s,21,24,1 !選擇線L21、L22、L23、L24lesize,all,

12、100 !把所有選擇線分為100份allselmshkey,1amesh,all!改變材料屬性esel,s,mat,2nsle,snplotnsel,r,loc,y,-4,-8nsel,r,loc,x,-60,60nplotesln,smpchg,2,allesel,s,mat,3nsle,snplotnsel,r,loc,y,-8,-12nsel,r,loc,x,-60,60nplotesln,smpchg,3,all!改變材料屬性esel,s,mat,4nsle,snplotnsel,r,loc,y,-12,-60nsel,r,loc,x,-60,60nplotesln,smpchg,4,

13、allallseleplotallselnummrg,all numcmp,allGPLOT !所有圖形全部顯示 /PNUM,KP,1 !顯示關鍵點號/PNUM,LINE,1 !顯示線號/PNUM,area,1 !顯示面號/Replot !刷新顯示save!給模型施加約束/solucsys,0dsys,0allselNsel,s,loc,x,-60Nsel,a,loc,x,60Nsel,a,loc,y,-60D,all,uxD,all,uyAllsel!施加重力加速度acel,9.8allsel,allalphad,2.6907 !質(zhì)量阻尼系數(shù) betad,0.0009 !剛度阻尼系數(shù) ant

14、y,trans !選取瞬態(tài)動力學分析trnopt,full !選取完全法eqslv iterative !選擇自動迭代求解器allsel,all*do,t,1,70,1 !定義計算運行幾步 outres,all,none outres,strsoutres,epeloutres,eppl outres,nsoloutres,a outres,v deltim,20,0.1,20time,t*0.1/20auto,on fdele,all,all,allforce=139000*sin(t/2)nplotnsel,s,loc,x,-2,-2.5nsel,a,loc,x,2,2.5nsel,r,l

15、oc,y,0F,all,FY,-forceNplot!time,iallselsolve*enddo/post1Plnsol,u,y,0,1 !得到豎直方向上的位移圖!查看位移響應曲線/post26numvar,200 !定義POST26中允許的變量數(shù)量 N_FY2=NODE(0,-2,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 Nsol,2,N_FY2,u,y !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點并顯示其豎直位移時間曲線 N_FY3=NODE(0,-4.01,0) !提取路基斷面中軸線4m處的節(jié)點 Nsol,3,N_FY3,u,y !提取路基斷面中軸線4m處的節(jié)點并顯示其豎直位移時間曲線 N_FY4

16、=NODE(0,-6,0) !提取路基斷面中軸線6m處的節(jié)點 Nsol,4,N_FY4,u,y !提取路基斷面中軸線6m處的節(jié)點并顯示其豎直位移時間曲線N_FY5=NODE(0,-8.01,0) !提取路基斷面中軸線8m處的節(jié)點 Nsol,5,N_FY5,u,y !提取路基斷面中軸線8m處的節(jié)點并顯示其豎直位移時間曲線N_FY6=NODE(0,-10,0) !提取路基斷面中軸線10m處的節(jié)點 Nsol,6,N_FY6,u,y !提取路基斷面中軸線10m處的節(jié)點并顯示其豎直位移時間曲線Plvar,2,3,4,5,6 !顯示上訴所有節(jié)點的豎直位移曲線!查看速度響應曲線/post26N_FY7=NO

17、DE(0,-2,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 Nsol,7,N_FY7,v,y !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點并顯示其豎直速度時間曲線 N_FY8=NODE(0,-4.01,0) !提取路基斷面中軸線4m處的節(jié)點 Nsol,8,N_FY8,v,y !提取路基斷面中軸線4m處的節(jié)點并顯示其豎直速度時間曲線 N_FY9=NODE(0,-6,0) !提取路基斷面中軸線6m處的節(jié)點 Nsol,9,N_FY9,v,y !提取路基斷面中軸線6m處的節(jié)點并顯示其豎直速度時間曲線N_FY10=NODE(0,-8.01,0) !提取路基斷面中軸線8m處的節(jié)點 Nsol,10,N_FY10,v,y !

18、提取路基斷面中軸線8m處的節(jié)點并顯示其豎直速度時間曲線N_FY11=NODE(0,-10,0) !提取路基斷面中軸線10m處的節(jié)點 Nsol,11,N_FY11,v,y !提取路基斷面中軸線10m處的節(jié)點并顯示其豎直速度時間曲線Plvar,7,8,9,10,11 !顯示上訴所有節(jié)點的豎直速度曲線!查看應力響應曲線/post26 numvar,200 !定義POST26中允許的變量數(shù)量 N_FY12=NODE(0,-2,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 aNSOL,12,N_FY12,s,y !選取2m處節(jié)點應力定義變量2N_FY13=NODE(0,-4.01,0) !提取路基斷面中軸線2

19、m處的節(jié)點 aNSOL,13,N_FY13,s,y !選取2m處節(jié)點應力定義變量2N_FY14=NODE(0,-6,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 aNSOL,14,N_FY14,s,y !選取2m處節(jié)點應力定義變量2N_FY15=NODE(0,-8.01,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 aNSOL,15,N_FY15,s,y !選取2m處節(jié)點應力定義變量2N_FY16=NODE(0,-10,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 aNSOL,16,N_FY16,s,y !選取2m處節(jié)點應力定義變量2Plvar,12,13,14,15,16 !顯示上訴所有節(jié)點的動應力曲線!查看

20、應變響應曲線/post26N_FY17=NODE(0,-2,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 aNSOL,17,N_FY17,epel,y !選取2m處節(jié)點應力定義變量2N_FY18=NODE(0,-4.01,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 aNSOL,18,N_FY18,epel,y !選取2m處節(jié)點應力定義變量2N_FY19=NODE(0,-6,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 aNSOL,19,N_FY19,epel,y !選取2m處節(jié)點應力定義變量2N_FY20=NODE(0,-8.01,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 aNSOL,20,N_FY20,epe

21、l,y !選取2m處節(jié)點應力定義變量2N_FY21=NODE(-0.01,-10,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 aNSOL,21,N_FY21,epel,y !選取2m處節(jié)點應力定義變量2Plvar,17,18,19,20,21 !顯示上訴所有節(jié)點的動應力曲線!查看繪制應力應變響應曲線/post26N_FY22=NODE(0,-2,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 aNSOL,22,N_FY22,s,y !選取2m處節(jié)點應力定義變量2aNSOL,23,N_FY22,EPEL,y !選取2m處節(jié)點彈性應變并定義為變量3aNSOL,24,N_FY22,EPPL,y !選取2m處節(jié)點塑性應變并定義為變量4add,25,23,24, !求和得到總應變5XVAR,25 !以應變?yōu)閄PLVAR,22,25 !以應力為Y/post26N_FY26=NODE(0,-4.01,0) !提取路基斷面中軸線2m處的節(jié)點 aNSOL,27,N_FY26,s,y !選取2m處節(jié)點應力定義變量2aNSOL,28,N_FY26,EPEL,y !選取2m處節(jié)點彈性應變并定義為變量3aNSOL,29,N_FY26,EPPL,y !選取2m處節(jié)點