建立饱和土地基模型，如下图所示，模拟饱和土地基在多种荷载工况下的响应情况，共分为两种工况：(1) 地表中心10米处受均匀荷载200 kPa，荷载作用100秒内模型的应力和变形分布情况；(2) 地表中心受瞬时荷载500 kPa，荷载作用1秒内模型的应力和变形分布情况。假设饱和土地基为弹性模型，密度ρ= 1800 kg/m³，弹性模量E = 40 MPa，泊松比ν = 0.30，渗透系数k = 1 × 10^-4 m/s。考虑土体自重应力作用，模型底部边界的水平和竖向位移固定，侧面水平位移固定，顶部为透水边界，其他边界均为不透水。采用FssiCAS软件进行数值模拟计算，分析各工况下地基的应力分布和变形特性。 1.模型建立 打开Abaqus，点击部件，建立二维饱和土地基部件，尺寸选择100，方便观察，基本特征选择壳。 图1.1 部件选择 点击继续后，进入草图界面，创建饱和土地基模型草图，选择矩形，起始点选择（-40，20），终点选择（40，-20），这样就能确保我们的矩形，长为80m，深40m。 图1.2草图绘制 完成草图绘制后，可以得到饱和土地基的部件，如下图所示 图1.3部件绘制完成 部件绘制完成后，我们需要对饱和土地基进行材料属性赋予，点击模块中的属性按钮，左上角有按钮（创建材料），点击创建材料，为材料进行属性赋予，在选择名称时要注意使用英文名称，确保导入到FssiCAS中不会发生输出文件错误，这里我们密度设置1800kg/m³，点击力学可以输入弹性模量和泊松比，我们设置弹性模量E=40MPa，泊松比v=0.3. 图1.4材料密度设置 图1.5材料弹性模量和泊松比设置 创建材料后，需要创建截面，如下图所示，点击左上角的创建截面，名称可选择soil点击继续，即可创建。 图1.6创建截面 创建完截面，我们需要对该部件进行截面指派，点击截面指派，选取整个模型，对其进行截面指派，如下图所示。这边注意选择截面指派时，需确保名称和材料名称保持一致。 图1.7指派截面 指派截面成功后，模型会变成绿色，这代表模型已经成功指派。如下图所示。 图1.8指派截面完成 材料属性赋予完成后，我们进行网格划分，由于，我们重点关注模型中间区域，所以可以将模型设置成渐变网格，即网格中间密集，外面稀疏的形式，具体操作如下。首先点击拆分面网格，进入草图模式。 图1.9拆分面网格 利用线条工具、添加尺寸和编辑尺寸工具，可以将草图划分成如下形式，这样可以确保中间网格更加密集，划分网格结束后，点击完成草图划分。 图1.10利用工具划分网格 首先为网格指派控制属性，由于我们划分了网格，要确保网格的对称性，我们需要采用四边形扫掠，这样划分出来的网格才能确保网格对称。点击确定后，模型会变成黄色，如下图所示。 图1.11网格指派控制属性 指派完网格控制属性后，我们需要对网格建立种子，点击全局种子，这里我们设置近似全局尺寸为1. 图1.12网格创建种子 随后我们可以建立网格，这边有个小技巧，可以查看网格种子的分布，工具条上方有个显示网格种子按钮，点击可以显示我们刚刚划分的网格种子，来确保我们的网格划分是否合理。随后我们点击建立网格。 图1.13建立网格 图1.14网格建立成功 网格建立成功后，由于之前的材料操作都是在部件上进行的，所以要将这些信息输出，我们需要进行装配，作业区模块选择装配，点击左侧工具栏中的创建实例，点击确定即可。 图1.15创建实例 装配完后，我们需要进行作业工作，点击创建工作，这边可以设置作业名称为soil。 图1.16创建作业 点击作业管理器按钮，可以看到刚刚创建的作业，这边我们点击提交，提交的作业将会保存到Abaqus默认的路径中，这边提交的作业格式为.inp格式。 图1.17作业提交 随后我们需要将背景线导出，这样方便在FssiCAS中进行边界条件的设定，点击模块中的部件，然后点击文件，在导出中选择导出部件，确定后即可导出.igs格式的背景线。 图1.18部件背景线导出 由于我们考虑的工况还包含了地表中间10米处和地表中间集中荷载的情况，所以我们还需要进行单独的背景线导出，这边可以点击模块中的草图，点击创建草图。 图1.19创建草图 创建草图时，我们选择尺寸为100，进入草图界面，选取线条进行设置，起点设置（-5，20），终点设置（5，20），这样能确保背景线在地表中间10米处。 图1.20背景线建立 完成草图建立后，我们将草图导出，点击文件，再点击导出中的草图，这边我们选择导出格式为.igs。 图1.21背景线导出 2.FssiCAS数值计算 打开FssiCAS数值软件，点击Abaqus导入划分的网格，选择实体单元，在Fluid Order选择1，开启流固耦合，如下图所示。 图2.1导入Abaqus划分的网格 导入网格后，为方便添加边界条件，我们需要将Abaqus的背景线先导入进来，点击选好我们事先设定的背景线进行导入。 图2.2导入Abaqus背景线 首先进行地应力平衡，检测该模型是否存在问题。如下图所示，点击按钮，将几何模型边界条件设置为：左右两侧的边界设置为X方向固定，底部边界设置为X、Y方向位移固定，顶部设置为透水边界。 图2.3设置边界条件 设置完边界条件后，进行材料参数设置，点击Material下的soil，进行参数设置，弹性模量设置E=40e6，泊松比设置v=0.3，渗透率设置为1e-4m/s，密度设置为1800kg/m3，其他设置不变。 图2.4设置材料参数 材料参数设置完成后进行stoke wave设置，点击该按钮，输入相关的参数，这里我们设置水深40m，SWL position为20m，主要原因是我们原来建立的坐标以中心建立。 图2.5设置水动力条件 由于考虑初始地应力平衡，因此我们需要对自重进行设置，点击Uniform Acceleration Field对Y进行设置为-9.806。 图2.6设置重力条件 接着进行求解器类型设置，点击Solver Type，求解器设置为Static，（Static表示与时间无关的静态，为了获得初始地应力平衡最好使用Static），然后进行相关的属性设置，如下图所示。 图2.7设置求解器类型 通过点击 Time step 中 step 1 下面 Sub_step 1 设置时间步，具体设置参数如下图所示。 Simulation Time (s)为计算总时间，设置为1s；Interval for Time Steps (s)为时间步长，设置为 0.1 s；Interval for Updating Coordinate (s)为坐标更新时间，设置为 1.1 s（大于计算总时间，意为 不更新坐标）；Interval for Updating Global Stiffness Matrix (s)为刚度矩阵更新时间，设置为 1.1 s（不更新刚度矩阵）；Maximum lterations 为每个时间步最大迭代次数，设置为 10 步；Restart File Output Interval (s)为输出重启文件的时间，设置为 1.1 s（不生成重启文件）；Results File Output Interval (s) 为输出某一时刻所有节点/高斯点上的位移、应力、应变等结果文件的时间间隔，设置为每 0.1 s 输出一次结果文件；Results Output 为选择输出节点上的结果；History Output Interval (s)为输出特 定的节点或单元上的应力、应变等结果文件的时间间隔，设置为每 0.1 s 输出一次 0.1 s（意为不 输出）。α，β1，β2 为时间系数，保持默认值即可。可在 Results Sequence 中选择输出流速、流 线图，每一步均需要选择。 图2.8设置时间步 随后点击Initial State，点击OK，即可完成Step 1的初始状态设置。 图2.9设置初始状态 点击在前处理界面上 Model 树状菜单栏里 Computation 中的 FSSI-W，或者在前处理界面正上方的工具栏 2 中的 WriteCalculate 功能按钮，点击step 1，保存当前项目，开始计算。 图2.10进行计算 点击Results，进行后处理，将刚刚的结果导入，进行查看。可以观察到Displacement Z Displacement X的变形云图，从结果上来看，初始地应力平衡，且结果正常，可以进行下一步加荷载操作。 图2.11 Displacement Z 图2.12 Displacement X 图2.13 Displacement 3.工况1 经过上述的初始地应力平衡后，我们进行工况1的数值模拟计算，重新回到Model界面，首先建立Step 2，接着导入背景线，在地表顶部10m处设置连续荷载200KPa，如下图所示。 图3.1 建立Step 2 图3.2 设置顶部连续荷载200KPa 其他步骤如初始地应力设置一样，这边只需要更改求解器类型，这次我们设置的求解器类型为Consolidation，同时对刚度矩阵选择Automatic，Consolidation 表示土的固结分析（与时间一阶导数相关），这样我们就可以看到后处理中动态云图的变化。 图3.3 更改求解器类型 修改完求解器后，我们进行时间步2的设置，具体设置参数如下图所示。 Simulation Time (s)为计算总时间，设置为100s；Interval for Time Steps (s)为时间步长，设置为 1s；Interval for Updating Coordinate (s)为坐标更新时间，设置为 100.1 s（大于计算总时间，意为 不更新坐标）；Interval for Updating Global Stiffness Matrix (s)为刚度矩阵更新时间，设置为 100.1 s（不 更新刚度矩阵）；Maximum lterations 为每个时间步最大迭代次数，设置为 10 步；Restart File Output Interval (s)为输出重启文件的时间，设置为 100.1 s（不生成重启文件）；Results File Output Interval (s) 为输出某一时刻所有节点/高斯点上的位移、应力、应变等结果文件的时间间隔，设置为每 1s 输出一次结果文件；Results Output 为选择输出节点上的结果；History Output Interval (s)为输出特 定的节点或单元上的应力、应变等结果文件的时间间隔，设置为每 1s 输出一次 1s（意为不 输出）。α，β1，β2 为时间系数，保持默认值即可。可在 Results Sequence 中选择输出流速、流 线图，每一步均需要选择。 图3.4 进行求解 模拟求解计算后，将计算结果导入，可以观察到每个时间步的变化云图，以下是各个云图的展示。结果都符合实际，表明FssiCAS具有强大的模拟功能，能够分析实际的工程问题。我们将变形系数调整到100，能够更加直观的观察到云图的变化情况。 图3.5 Displacement X 图3.6 Displacement Y 图3.7 Displacement 图3.8 Effective Stress X 图3.9 Shear Stress XZ 图3.10 Strain X 图3.11 Strain Z 图3.12 Seepage Velocity X 图3.13 Void Ratio 4.工况2 接下来我们进行工况2的数值模拟计算，工况2考虑地表中心受瞬时集中荷载500KPa。我们继续建立Step 3，这次设置边界条件，选择节点，选取中间节点，Y轴设置-500e3，点击确定设置完成。 图4.1 施加瞬时荷载 其他设置与Sub Step2相同，这边只需要改变Sub_Step 3的相关参数，Simulation Time (s)为计算总时间，设置为1s；Interval for Time Steps (s)为时间步长，设置为 0.1s；Interval for Updating Coordinate (s)为坐标更新时间，设置为 1.1 s（大于计算总时间，意为 不更新坐标）；Interval for Updating Global Stiffness Matrix (s)为刚度矩阵更新时间，设置为 1.1 s（不 更新刚度矩阵）；Maximum lterations 为每个时间步最大迭代次数，设置为 10 步；Restart File Output Interval (s)为输出重启文件的时间，设置为 1.1 s（不生成重启文件）；Results File Output Interval (s) 为输出某一时刻所有节点/高斯点上的位移、应力、应变等结果文件的时间间隔，设置为每 0.1s 输出一次结果文件；Results Output 为选择输出节点上的结果；History Output Interval (s)为输出特 定的节点或单元上的应力、应变等结果文件的时间间隔，设置为每 1s 输出一次 1s（意为不 输出）。α，β1，β2 为时间系数，保持默认值即可。可在 Results Sequence 中选择输出流速、流线图，每一步均需要选择。 图4.2设置时间步 随后我们进行计算，计算完成后进行后处理查看变化云图。 图4.3模拟计算 接下来展示瞬时集中荷载500KPa作用下的变化云图，同样将变形系数放大100倍，方便观察荷载作用下的变化云图，如下图所示。 图4.4 Displacement X 图4.5 Displacement Z 图4.6 Displacement 图4.7 Effective Stress X 图4.8 Effective Stress Z 图4.9 Shear Stress XZ 图4.10 Maximum Principal Stress 图4.11 Minimum Principal Stress 图4.12 Strain X 图4.13 Strain Z 图4.14 Shear Strain XZ 图4.15 Seepage Velocity X 图4.16 Seepage Force 图4.17 Void Ratio 通过上述的模拟计算，可以发现FssiCAS具有强大的后处理能力，并且所得到的变化云图都非常的精美，色彩鲜明，数值计算得到的结果也符合实际，证明了FssiCAS是一款很好的数值分析软件。
