Part4-土工试验室模拟-练习

土工试验室模拟（练习）概述岩土工程中土体参数来源于一个或多个室内试验。

为了得到更好的结果，需要将土层参数转化为PLAIXS中本构模型的输入参数，并充分考虑各本构模型的特性和局限。

PLAXIS中大多数模型可以根据三轴或侧限等标准土工试验获得。

但是，根据模型的复杂性，建议用户不要仅是简单地采用试验室获得的参数，而是应该实际去模拟这些试验，查看在模型局限范围内，模拟所得试验是否能表达实际室内试验的结果。

为此，PLAXIS中添加了土工试验模块，在该模块中无需建立有限元模型，即可用简捷的方式模拟室内试验。

该练习中，将使用土工试验工具模拟砂土和粘土的侧限试验和三轴试验。

目录●室内试验模拟----砂土试验模拟----粘土试验模拟●附录A：参数的确定●附录B：土工试验工具●----如何模拟侧限试验●----如何模拟三轴试验室内试验模拟本练习中，详细介绍了两种不同材料的侧限试验和三轴试验，目的是为了确定土体硬化模型的参数，以使PLAXIS中模拟得到的结果与室内试验一致。

简言之：1、根据已有实际室内试验结果确定土体参数；2、根据获得的参数在PLAXIS中进行试验模拟；3、比较PLAXIS试验模拟与实际室内试验得到的结果，最终确定模型的参数。

例题1：砂土的室内试验参数确定对砂土土样进行了侧限和三轴试验。

所得结果如下图所示。

根据这些曲线确定HS模型的参数，并将其填写到表1中。

注意，有一些参数并不能从所得试验结果中获得，此时需要估计该参数。

图1 砂土侧限压缩试验图2 侧限压缩试验中水平应力和竖向应力的发展过程图3 三轴加卸载试验（围压=100kPa）图4 三轴排水试验轴应变-体应变关系曲线将数据收集到下列表格中：表1 砂土土体硬化模型（HS）参数根据上述参数，在土工试验室中进行三轴试验模拟。

练习2：粘土室内试验图5 粘土侧限压缩试验图6 围压100kPa和400kPa下三轴不排水（CU）试验图7 围压100kPa三轴不排水（CU）试验将土工参数收集于下表2：表2 砂土土体硬化模型（HS）参数根据上述参数，在土工试验室中进行三轴试验模拟。

附录A：参数确定砂土根据三轴试验确定参数。

图8 根据三轴排水试验确定刚度参数粘聚力和摩擦角围压时，破坏时最大偏应力。

莫尔-库伦破坏准则：试样为砂土，我们假定粘聚力为0，因此莫尔-库伦准则退化为：将和代入上式，可得摩擦角=42°。

三轴试验参考刚度三轴试验刚度为破坏荷载50%处对应的割线刚度。

如图8三轴试验中红色曲线所示。

土体硬化（HS）模型中三轴试验刚度定义式为：参考应力p ref为三轴试验的围压100kPa，则参考卸载-重加载刚度与从三轴试验中获取参考刚度的方法类似，如果在三轴试验中，执行卸载-重加载试验，我们可以确定卸载-重加载刚度。

土体硬化（HS）模型没有卸载-重加载对应的滞回行为，还是简单具备非线性弹性卸载-重加载行为。

因此，如三轴试验结果中的绿色曲线所示，我们取割线斜率作为卸载-重加载刚度。

同样假定参考围压为100kPa：不过对于卸载-重加载刚度而言，该数值偏小，因此我们取剪胀角通过轴向应变-体积应变关系曲线，可以根据下式确定剪胀角：详见图9.，，可以得到剪胀角。

注意：根据该图无法确定土体硬化模型的泊松比。

这是因为该图达标主加载过程中的侧限试验，而该模型中需要的泊松比为卸载-重加载泊松比。

图9 根据三轴试验确定剪胀角侧限刚度和刚度应力相关幂指数从侧限试验中，我们可以确定竖向应力和对应的刚度，如图10所示。

注意，为切线刚度。

确保使用侧限试验加载部分的结果。

土体硬化模型中，应力相关侧限刚度定义为：，则幂指数m值可以确定如下：图10 侧限刚度及幂指数的确定正常固结K0数值在侧限压缩试验中测量水平应力和竖向应力，得到如图11所示曲线，根据该曲线可获得正常固结K0。

从加载线上，可以得到此外，我们可以使用Jaki公式图11 侧限压缩试验中水平/竖向应力比卸载/重加载刚度如果没有卸载-重加载试验数据，也可以通过侧限压缩试验确定卸载/重加载刚度。

不过，土体硬化模型卸载/重加载刚度是与围压相关，而对于侧限压缩试验，刚度与竖向应力，即直接相关。

又（pref为！），则该数值稍有偏高，因此我们选择。

表3 砂土土体硬化模型参数表粘土粘聚力和摩擦角我们根据三轴不排水（CU）试验确定强度参数。

图12 粘土强度参数的确定黑色虚线为p’-q平面中莫尔-库伦破坏准则。

主应力空间中莫尔-库伦破坏准则定义为：由于三轴试验中，，上述条件可写为：因此，p’-q平面中莫尔-库伦线定义为：根据莫尔-库伦线在纵轴（p=0）上的截距，可得到粘聚力：侧限和卸载-重加载参考刚度根据侧限试验，可以获得侧限刚度和卸载-从加载刚度。

根据对数曲线，用户可以轻松绘制出切线，下图为砂土侧限试验所得结果。

图13 侧限和卸载-重加载刚度的确定在主加载和卸载-重加载路径下，为直线关系，对应关系式如下：为确定刚度，我们对应变求导并转化为自然对数：在土体硬化模型中，有以下关系式（假定c=0）：可以求得模量E为：如果选择pref=100kPa，则，且。

卸载-重加载刚度可以使用以下方法：土体硬化（HS）模型中的依赖于最小主应力，即侧限试验中的而不是。

在卸载过程中，水平应力和竖向应力之间并不是按线性关系发展，起初卸载应力，卸载一定程度后，。

因此假定在卸载过程中。

土体硬化模型中，定义为：，三轴试验刚度如果只有三轴不排水试验数据，则只能获得不排水，而无法获得有效。

因此估算的唯一方法，只能是通过多次运行土工试验程序，输入不同的参考，直到得到最贴近三轴不排数试验的结果。

特别地，对于正常固结粘土，有效参考约为有效参考的2-5倍，这里我们可根据该经验关系给定一个初始值，取。

正常固结K0数值如果在侧限试验中测了水平应力，则可以获得正常固结的K0数值。

如果没有该结果，我们可以根据Jaky公式估算K0参数：表4 粘土的土体硬化模型参数表附录B：土工试验模拟简介针对土工试验模拟，PLAXIS提供了土工试验模拟工具。

该工具基于单应力点理论，不需要有限元网格，可以快速模拟土体的行为。

土工试验工具可以从材料数据库中打开，也可以在材料数据定义中打开（见下图14）。

图14 土工试验工具下文将通过一系列截图，一步步讲解如何使用土工试验工具模拟侧限和三轴试验。

注意，截图中的参数与本练习中没有关系，只起示意作用。

如何模拟侧限试验首先创建材料数据组，然后点击<土工试验>按钮启动该工具。

此时将弹出如下图所示窗口。

可选试验类型：选择固结仪试验材料参数图15 土工试验主窗口在主菜单中选择固结仪（即侧限压缩试验）标签，按下图说明设置参数：体积硬化：剪切硬化：相对动抗剪强度加载步骤：-第一步（加载）持续时间=？天-第二步（卸载，如需要）持续时间=？天应力增量=？？？点击<运行>进行试验图16 固结仪试验参数设置计算完成后，土工试验窗口底部将显示相应的结果。

用户可以双击这些曲线进行单独查看。

此外，在这里可以添加自定义图表，如图17所示。

图17 查看侧限压缩试验结果如何模拟三轴试验从材料数据库或材料定义窗口点击<土工试验>按钮启动土工试验工具。

在主窗口中选择三轴标签，并按下图设置试验类型及参数。

图18 定义三轴试验三轴试验运行完成后，结果将显示在土工试验窗口的底部，与侧限压缩试验选择三轴试验类型： -排水或不排水（CU ）试验 -压缩或拉伸试验 -各向同性或K0固结 试验参数： -围压[kPa]-最大应变值（通常为10%） -加载步数（默认为100） -各向同性预固结应力[kPa] -相对动剪切强度[%] 点击<运行>启动试验一样，通过双击某个图像即可打开独立的窗口放大显示该图像，此外，也可以通过右键点击的方式添加用户自定义图表。

三轴卸载/重加载试验模拟三轴试验模拟中不允许直接进行卸载-重加载路径的试验。

但该试验可以通过“一般”试验选项来实现。

在“一般”标签页下可以定义各种边界应力或应变。

下文将说明如何模拟三轴卸载/重加载试验。

打开土工试验窗口，点击“一般”标签页。

在该标签页下可以定义一系列计算阶段，在每个阶段中都可以施加需要的应力或应变增量。

初始阶段首先，我们确定试验过程中在边界上施加应力还是应变。

该练习中将施加应力边界条件。

现在需要指定土样的初始应力，三轴试验初始应力为土样上的围压，因此需要输入、及。

围压通过水压施加，因此土样上没有剪应力：。

详见下图所示。

选择“一般”试验选择排水或不排水试验阶段1施加竖向应力增量（）直到卸载开始时的应力水平。

注意由于模拟围压，应保持水平应力（和）等值，因此在该阶段中水平应力增量为0.阶段2点击添加按钮添加新阶段。

该阶段将模拟卸载过程，详见图20。

阶段3点击添加按钮添加第三个阶段。

该阶段将模拟重加载，直到竖向应力达到破坏或较高的应力水平，然后进行另一个卸载/重加载的循环。

图20 使用一般选项模拟三轴卸载/重加载循环阶段2-卸载-施加+???kPa将y向应力卸载到围压值阶段3-加载-在y方向施加应力增量=???kPa，此时总竖向应力将达到破坏荷载kPa。