Konstitucní modelováníˇ Úvod - Univerzita Karlova · Nejprve si shrneme nejduležit˚ejší...

transcript

Konstitucní modelováníNumerické modelování v aplikované geologii

David Mašín

Ústav hydrogeologie, inženýrské geologie a užité geofyzikyPrírodovedecká fakulta

Karlova Univerzita v Praze

Prednášky pro obor Geotechnologie

David Mašín (Karlova Univerzita v Praze) Konstitucní modelování Geotechnologie 1 / 65

V této cásti prednášky se seznámíme se základy matematickéhomodelování mechanického chování geomateriálu - tzv. konstitucnímodelování.Nejprve si shrneme nejduležitejší aspekty chování zemin: jde oopakování látky z predmetu mechanika zemin, ovšem videno zperspektivy matematického modelování.Poté si postupne probereme jednotlivé prístupy k modelovánízemin a shrneme jejich výhody a nevýhody.

1 Shrnutí chování zemin

2 Konstitucní modelování zeminParametry versus stavové promennéPružnostElasto-plasticitaHypoplasticita

Shrnutí chování zemin

Shrnutí chování zeminNevratnost chování zemin

Chování zemin je nevratné (neelastické).

Shrnutí chování zeminVliv pórovitosti a napetí na výsledky drénované triaxiální zkoušky

• Vliv pórovitosti

• Vliv napetí

Shrnutí chování zeminVliv pórovitosti a napetí interpretované pomocí mechaniky kritických stavu

Shrnutí chování zeminMezní plocha stavu

isotropic NCL

State Boundary Surface

K NCL0

Shrnutí chování zeminNelinární chování zemin

Nedrénovaná triaxiálnízkouška na jílu, pracovnídiagram

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

εs [-]

experiment, london clayMohr-Coulomb

Tuhost vs. smykovépretvorení v logaritmickémmerítku stiffness stiffness

1e-05 0.0001 0.001 0.01 0.1

εs [-]

experiment, london clayMohr-Coulomb

Shrnutí chování zeminZávislost chování na smeru zatežování

Stejná dráha napetí, alerozdílná historie zatežování

Tuhost versus pretvorení

Atkinson et al. (1990)

Shrnutí chování zeminZávislost tuhosti na úrovni napetí

Tuhost pri velmi malých pretvoreních G0 na londýnském jílu

0 50 100 150 200 250 300 350

p’ [kPa]

Základní aspekty chování zemin které lze modelovat pomocímateriálových modelu:

Závislost chování na stredním napetí a pórovitostiMezní plocha stavuNelinární chování zeminZávislost chování na historii zatežováníZávislost tuhosti na úrovni napetí

Konstitucní modelování zemin

Outline

1 Shrnutí chování zemin

2 Konstitucní modelování zeminParametry versus stavové promennéPružnostElasto-plasticitaHypoplasticita

Konstitucní modelování zemin Parametry versus stavové promenné

Parametry versus stavové promenné

Vždy musíme rozlišovat parametry a stavové promenné.Parametry: materiálové konstanty závislé na typu zeminy, alenezávislé na jejich stavu (napr. úhel vnitrního trení v kritickémstavu).Stavové promenné: promenné charakterizující stav (napetí, císlopórovitosti...)."Parametry" nekterých modelu závisí na stavu, což není správnýprístup k modelování (napríklad úhel vnitrního treníMohr-Coulombova modelu).

Konstitucní modelování zemin Parametry versus stavové promenné

Definice konstitucního modelu

Konstitucním (materiálovým) vztahem rozumíme matematickouzávislost mezi deformací materiálu a jeho stavovými velicinami.Obecná formulace konstitucního modelu muže být zapsána jako:

∆σ = M∆ε

kde M je tzv. matice tuhosti.Modely delíme dle toho, jak matice M závisí/nezávisí na prírustkudeformace ∆ε a na stavových promenných.

Konstitucní modelování zemin Pružnost

Pružnost

Pružnost: M nezávisí na ∆ε.M konstantní behem zatežování: lineární pružnost. Pokud Mzávisí na stavových promenných: nelineární pružnost.Lineární pružnost: Younguv modul E a Poissonovo císlo ν jakoparametry:

(1 + ν) (1 − 2ν)

1 − ν ν νν 1 − ν νν ν 1 − ν

1 − 2ν1 − 2ν

1 − 2ν

Zde tenzory napetí a pretvorení jsou uvažovány jako vektory:

σ = [σ11, σ22, σ33, σ12, σ13, σ23]

ε = [ε11, ε22, ε33, ε12, ε13, ε23]

Pružnost

Fyzikální význam Youngova modulu E a Poissonova císla ν jetakový, že pro triaxiální axisymetrickou kompresi platí

σ11 = Eε11 ν = − ε22

Izotropní lineární elasticita se nekdy vyjadruje pomocí smykovéhomodulu G a objemového modulu K , jež mají následující význam:

q = 3Gεs p = K εv

což lze zapsat pomocí maticového zápisu[∆p∆q

[K 00 3G

] [∆εv∆εs

]Lze ukázat, že vztah mezi G, K , E a ν je následující:

2 (1 + ν)K =

E3(1− 2ν)

Pružnost

Obecne platí, že pro lineární izotropní pružnost vždy potrebujemepouze dva parametry. Ostatní mužeme dopocítat.Dalším prípadem je oedometrický modul Eoed jako pomeraxiálního napetí a pretvorení pri oedometrické zkoušce:

σ11 = Eoedε11

Dá se ukázat, že

Eoed =E(1− ν)

(1 + ν)(1− 2ν)

Shrnutí lineární pružnosti

Lineárne pružný model predpovídá/nepredpovídá následující aspektychování zemin:

Nelineární pružnost

Duncan-Changuv (1970) model: Pracovní diagram triaxiálnízkoušky charakterizovaný pomocí hyperboly

σ =ε

a + bεa = 1/ET 0

b = 1/σu

Nelinérní elasticita

Duncan-Changuv (1970) model, stejne jako ostatní nelinárneelastické modely, reprezentují pouze zatežovací vetev pracovníhodiagramu. Nerealistické predpovedi odlehcení.

Shrnutí nelineární pružnosti

Lineárne pružný model predpovídá/nepredpovídá/cástecne následujícíaspekty chování zemin:

Konstitucní modelování zemin Elasto-plasticita

Elasto-plasticita

Základní charakteristika elasto-plastických modelu jedekomposice pretvorení na vratné (pružné) a nevratné (plastické).

∆ε = ∆εe + ∆εp

Základní formulaci modelu lze zapsat jako:

∆σ = Mep∆ε = Me∆εe = Me(∆ε−∆εp)

To znamená, že pro konstrukci elasto-plastického modelu stacíznát elastickou matici tuhosti a prírustek plastického pretvorení.

Elasto-plasticita

Elasto-plastické modely zavádí koncept plochy plasticity. Pouzestavy uvnitr nebo na ploše plasticity jsou prípustné.

cadmissible state

inadmissible state

Uvnitr plochy plasticity, ∆εp = 0. Na ploše plasticity ∆εp 6= 0.Pokud mají elasto-plastické modely plochu plasticity fixovanou vprostoru napetí: ideální plasticita.

Elasto-plasticitaPodmínka plastického zatežování

O tom, zda bude deformace elastická nebo elasto-plastickározhoduje podmínka plastického zatežování Deformace materiálu

je elasto-plastická, pokud je stav na ploše plasticity a soucasneprírustek pretvorení smeruje k "pritežování"Pro vyhodnocení podmínky plastického zatežování je trebadefinovat zkušební prírustek napetí ∆σe

∆σe = Me∆ε

Elasto-plasticitaPodmínka plastického zatežování

(a) Stav napetí je na ploše plasticity a zkušební prírustek ∆σe

smeruje vne plochu plasticity⇒ Dochází k elasto-plastickémupritežování.

(b) Stav napetí je na ploše plasticity a zkušební prírustek ∆σe

smeruje dovnitr ci podél plochy plasticity⇒ Odezva je elastická.(c) Stav napetí je uvnitr plochy plasticity⇒ Odezva je elastická.

Elasto-plasticitaSmer prírustku plastického pretvorení

Smer ∆εp je kolmý k ploše plastického potenciálu g. Tato plochaje funkcí napetí. Výpocet pomocí gradientu.

~∆εp =∂g∂σ

U ideálne plastických modelu je plocha plastického pontenciáluvetšinou volena tak, aby model predpovídal dilatanci prizplastizování.

Elasto-plasticitaSdružená a nesdružená plasticita

Pokud je funkce plastického potenciálu g(σ) shodná s podmínkouplasticity f (σ), hovoríme o tzv. sdružené plasticite (associatedplasticity), v opacném prípade o nesdružené plasticite(non-associated plasticity).

Elasto-plasticitaPodmínka konzistence

Velikost prírustku plastických pretvorení pocítaná z podmínkykonzistence (po prírustku pretvorení musí pri elasto-plastickémzatežování stav zustat na ploše plasticity).

Elasto-plasticitaPodmínka konzistence

Význam prírustku plastického pretvorení ∆ε v elasto-plastickémkonstitucním vzathu lze demonstrovat následovne:

∆σ = Me : (∆ε−∆εp) = Me : ∆ε−Me : ∆εp = ∆σe−Me : ∆εp

∆σe nazýváme pružný prediktor prírustku napetí a Me : ∆εp

plastický korektor.Z obr je patrné, jakým zpusobem je sestavena podmínkakonzistence.

Elasto-plasticitaPríklad ideální plasticity - Mohr-Coulombuv model

Mohr-Coulombuv model je nejrozšírenejší model vgeomechanických aplikacích.Jedná se o model ideální plasticity, má tedy fixní plochu plasticity.Definovaná pomocí parametru úhlu vnitrního trení ϕ a soudržnostic.

Plastický potenciál definovaný s využitím parametru úhel dilatanceψ

ψ definuje pomer normálových a smykových pretvorení v prostémsmyku.

Úhel dilatance také kontroluje pomer objemových a smykovýchpretvorení v triaxiální zkoušce.

6sinψ1

∆εv

s∆εp

∆εp

ψsin3−

Uvnitr plochy plasticity Mohr-Coulombuv model predpovídálineárne isotropne elastické chování: parametry E a ν.

Elasto-plasticitaMohr-Coulombuv model - kalibrace a význam parametru

Younguv modul E :

020406080

100120140160180

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

εs [-]

experimentE=1MPaE=2MPaE=5MPa

E=10MPa-0.12-0.1

-0.08-0.06-0.04-0.02

00.020.040.06

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

ε v [-

εs [-]

experimentE=1MPaE=2MPaE=5MPa

E=10MPa

⇒ E ' 5 MPa.

Poissonovo císlo ν:

020406080

100120140160180

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

εs [-]

experimentν=0.1ν=0.2ν=0.3ν=0.4

-0.025-0.02

-0.015-0.01

-0.0050

0.0050.01

0.0150.02

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

ε v [-

εs [-]

experimentν=0.1ν=0.2ν=0.3ν=0.4

⇒ ν ' 0.3

Úhel vnitrního trení ϕ a efektivní soudržnost c – vliv parametru napredpoved’ drénované triaxiální zkoušky (v grafech pouze vliv ϕ, vdaném zobrazení pro jednu zkoušku je vliv c ekvivalentní).

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

εs [-]

experimentϕ=20°ϕ=25°ϕ=30°

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35ε v

εs [-]

experimentϕ=20°ϕ=25°ϕ=30°

⇒ ϕ ' 25◦

Úhel dilatance ψ:

020406080

100120140160180

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

εs [-]

experimentψ=2°ψ=5°

ψ=10°-0.12

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

ε v [-

εs [-]

experimentψ=2°ψ=5°

ψ=10°

⇒ ψ ' 5◦

Elasto-plasticitaMohr-Coulombuv model - omezení

Mohr-Coulombuv model má dva základní nedostatky:

1 Císlo pórovitosti (ulehlost) nejsou uvažovány jako stavovépromenní. Rozdílné parametry pro rozdílné relativní ulehlosti.

2 Lineárne elastické chování uvnitr plochy plasticity: nepredpovídánelinární chování zemin.

Elasto-plasticitaMohr-Coulombuv model - omezení

Jiný problém: linárne elastická matice tuhosti implikuje nezávislostobjemových a smykových deformací.[

∆p∆q

[K 00 3G

] [∆εv

∆εs

To vede k prehodnocení smykové pevnosti zemin.

uc experiment

c simulationu

experiment

simulation

Mohr−Coulomb failure envelope

Elasto-plasticitaMohr-Coulombuv model - shrnutí

Základní aspekty chování zemin které lze modelovat pomocímateriálových modelu vs. Mohr-Coulombuv konstitucní model:(Ano/Ne)

Závislost chování na stredním napetí a pórovitosti (MC: constantníúhel vnitrního trení a dilatance)Mezní plocha stavu (MC: pouze podmínka porušení)Nelinární chování zemin (MC: konstantní modul pružnosti)Závislost chování na historii zatežování (MC: tuhost nezávislá nahistorii zatežování)Závislost tuhosti na úrovni napetí (MC: konstantní tuhost)

Plasticita se zpevnením

Zemina se chová nelinárne daleko predtím než je dosaženofinálního stavu porušení.

Isotropic loading-unloadingDrained triaxial test

Zemina si "pamatuje" predchozí maximální zatížení.

Plasticita se zpevnením

K predpovídání tohoto fenoménu, plocha plasticity musí záviset nadalších stavových promenných (jako prekonsolidacní napetí nebocíslo pórovitosti).Navíc k tomu, plocha plasticity je uzavrená v prostoru napetí(tímto zpusobem jsou predpovídány nevratné deformace prodráhy napetí které nevedou k porušení).

Model Cam jílu

Základní model plastcity se zpevnením: Model Cam jílu (Roscoeand Burland, 1968).Založen na mechanice kritických stavu. Pripomenmeexperimentální základ:

Model Cam jílu

Každý model plasticity se zpevnením je tvoren následujícímikomponenty: elastická matice tuhosti, plocha plasticity, zákonzpevnení (nové oproti ideálne plastickým modelum), plastickýpotenciál.Elasticita: isotropní elasticita, s parametry smykový modul G aparameter κ, který kontroluje objemový modul K = p(1 + e)/κ

Critical state line

Isotr. normal compression line

current stateIsotr. unloading line

Model Cam jílu

Plocha plasticity modelu Cam jílu má eliptický tvar. Její velikost jekontrolována prekonsolidacním napetím pc .

M =6 sinϕc

3− sinϕc

Pomer poloos elipsy je kontrolován parametrem M, který je protriaxiální kompresi vztažen ke kritickému úhlu vnitrního trení dle

Model Cam jílu

Zákon zpevnení modelu Cam jílu specifikuje závislost plochyplastcity na plastických objemových pretvoreních

∆pc =pc(1 + e)

λ− κ∆εpv

Vývoj pc je definován tak, aby smernice cáry isotropní normálníkonsolidace byla definována parametrem λ

Critical state line

Isotr. normal compression line

current stateIsotr. unloading line

Model Cam jílu

Plastický potenciál modelu Cam jílu je asociován s plochouplasticity (je shodný s plochou plasticity, f = g).

Model Cam jílu

Drénovaná triaxiální zkouška na lehce prekonsolidované zemine

Model Cam jílu

Drénovaná triaxiální zkouška na silne prekonsolidované zemine

Model Cam jílu

Model Cam jíluOmezení

Model Cam jílu predpovídá nelineární chování normálnekonsolidovaných jílu

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

εs [-]

experiment, looseModified Cam clay

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

εv [-]

εs [-]

experiment, looseModified Cam clay

Model Cam jíluOmezení

Problematictejší je ovšem predpoved’ chování prekonsolidovanýchzemin.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

εs [-]

experiment, denseModified Cam clay

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

εv [-]

εs [-]

experiment, denseModified Cam clay

1 Úhel vnitrního trení ve vrcholovém stavu prehodnocen. Casto jeméne presné využít model Cam jílu než model Mohr-Coulombuv!

2 Elastické chování uvnitr plochy plasticity – model nepredpovídánelinearitu tuhosti.

Model Cam jíluShrnutí

Základní aspekty chování zemin, predpoved’ pomocí vs. Modelu Camjílu:(Ano/Ne/Cástecne)

Závislost chování na stredním napetí a pórovitosti (MCC: nicménevrcholová pevnost prehodnocena)Mezní plocha stavuNelinární chování zemin (MCC: Nelinearita pouze u normálnekonsolidovaných zemin, není tuhost pri velmi malých pretvoreních)Závislost chování na historii zatežování (MCC: V elastické oblastinení tuhost závislá na historii zatežování)Závislost tuhosti na úrovni napetí (MCC: Pouze objemová tuhostje závislá).

Model Cam jíluAlternativy

Bez diskuse, modely ideální plasticity a plasticity se zpevnenímzaložené na jedné ploše plasticity nejsou schopné predpovídatnekteré zásadní aspekty mechanického chování zemin.Alternativou jsou pokrocilé elasto-plastické modely založené nakinematickém zpevnení. Ty jsou ovšem casto komplikované proimplementaci a využití.Druhou alterantivou jsou hypoplastické modely. Základyhypoplasticity budou nyní probrány.

Konstitucní modelování zemin Hypoplasticita

Základy hypoplasticity

Hypoplasticita se odlišuje od elasto-plasticity tím, že nedelípretvorení na vratnou a nevratnou cást.I presto predpovídá základní aspekty chování zemin, jako jenelinearita, nevratnost chování a porušení.Podmínka plastického zatežování je nahrazena rovnicí nelineárnív ∆ε

∆σ = E1∆ε− E2|∆ε|s moduly E1 > E2 > 0 (1D verze).

Pri pritížení (∆ε > 0), tuhostE = E1 − E2

Pri odlehcení, tuhost E = E1 + E2

Vyšší tuhost pri odlehcení než pripritížení, bez nutnosti plastickéhopretvorení.

Základy hypoplasticityModelování nelinearity

Nelineární chování je modelováno uvažováním E1 a E2 jakofunkcí stavových promenných.První krok je zohlednení závislosti tuhosti na napetí

∆σ = E1∆ε− E2|∆ε| ∆σ = C1σ∆ε− C2σ|∆ε|

Základy hypoplasticity1D hypoplasticita pro smyk

Jednoduchý 1D hypoplastickýmodel pro smyk:

∆τ = E[

∆γ −(

)|∆γ|

Když τ = 0 a pritížení (∆γ > 0), pak je tuhost E .Když τ = τmax a pritížení, pak je tuhost 0 (predpoved’ porušení).Když τ = τmax a odlehcení, pak je tuhost 2E .

Základy hypoplasticity2D hypoplastický model pro stlacení a smyk

V predchozím jsme definovali dva oddelené modely, jeden prokompresi a druhý pro smyk. Jejich kombinace pro 2D model mužebýt napríklad:[

∆σ∆τ

[Lσ 00 Lτ

] [∆ε∆γ

Nσ 00 Nτ

] [|∆ε||∆γ|

]Tato formulace není sdružená, což znamená že smykové napetínevede k objemovým deformacím a naopak.Nakonec zohledníme sdružení smykových-objemových zmentímto zpusobem:[

∆σ∆τ

[Lσ 00 Lτ

] [∆ε∆γ

]√∆ε2 + ∆γ2

kde√

∆ε2 + ∆γ2 je norma (velikost) prírustku pretvorení.

Základy hypoplasticity

Skutecné hypoplastické modely samozrejme musí být definoványv 3D prostoru. Obecná formulace modelu je pak následující:

∆σ = L∆ε+ N‖∆ε‖

Nejobtížnejší cást ve vývoji hypoplastických modelu jesamozrejme volba modulu L a N.Princip volby L a N vychází z 1D postupu demonstrovaného výše.

Hypoplasticita jako model nelineárního chování zeminShrnutí

Pokrocilé hypoplastické modely pak mohou predpovídat všechnyduležité aspekty mechanického chování zemin:

Závislost chování na stredním napetí a pórovitosti.Mezní plocha stavu.Nelinární chování zemin.Závislost chování na historii zatežování.Závislost tuhosti na úrovni napetí.

Shrnutí

Chování zemin je komplikované a jednoduché modely jako modelMohr-Coulombuv nevystihují jeho chování dostatecne presne.Mohr-Colombuv model v podstate predpovídá správne pouze tvarplochy plasticity. To je v porádku pro výpocty stability. Model jenicméne nevhodný pro predpovedi deformací.Elasto-plasticita se zpevnením a jednou plochou plasticity (Camclay) je výborný koncept, ale není ve výsledku lepší nežMohr-Coulomb pro kvantitativní predpovedi.Pro správné predpovedi deformací geotechnických konstrukcímusíme zohlednit nelineární chování zemin. Príkladem techtomodelu jsou pokrocilé elasto-plastické modely a hypoplasticita.

Konstitucní modelováníˇ Úvod - Univerzita Karlova · Nejprve si shrneme nejduležit˚ejší...

Documents