一種樁承式路堤中土拱效應(yīng)的三維有限元建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種樁承式路堤中土拱效應(yīng)的三維有限元建模方法。包括以下步驟：對(duì)樁承式路堤的實(shí)際情況進(jìn)行簡化，提取結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS，取1/4的樁、樁周土體和路堤作為典型單元進(jìn)行分析，建立有限元模型；路堤填料和軟土采用摩爾-庫倫模型，并賦予相應(yīng)的材料參數(shù)；設(shè)置路堤和軟土的單元屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分；設(shè)置路堤結(jié)構(gòu)的邊界條件；對(duì)路堤結(jié)構(gòu)施加荷載。本發(fā)明基于ABAQUS三維有限元數(shù)值軟件，通過對(duì)樁承式路堤的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，并同時(shí)考慮軟土的承載力對(duì)土拱效應(yīng)的影響，建立了研究樁承式路堤中土拱效應(yīng)的研究三維有限元數(shù)值模型，可為樁承式路堤設(shè)計(jì)研究提供有益的參考。
【專利說明】一種粧承式路堤中土拱效應(yīng)的三維有限元建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及公路工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種樁承式路堤中土拱效應(yīng)研究的三維有限元建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]樁和樁周軟土在上部路堤荷載作用下產(chǎn)生的不均勻沉降將會(huì)使軟土層上方的路堤填土沉降量大于樁上方填土層的沉降量。在路堤填土層中產(chǎn)生的不均勻沉降將會(huì)促使剪應(yīng)變或者剪切面的產(chǎn)生，因此來自于路堤以及上部荷載的豎向應(yīng)力會(huì)重新分布，使得傳遞到樁頂?shù)呢Q向應(yīng)力增加，而傳遞到軟土的豎向應(yīng)力減少，這種由于不均勻沉降而引起的應(yīng)力重分布的現(xiàn)象被定義為“土拱效應(yīng)”。
[0003]近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土拱效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，提出了不同的土拱效應(yīng)模型和計(jì)算方法:1987年，Guido等提出土拱的形狀為正四棱錐，棱錐側(cè)面與底面的夾角假設(shè)為45°，土工格柵僅承擔(dān)該四棱錐部分的荷載，其余荷載由樁來承擔(dān)。1988年，Hewlett&Randolph提出了基于試驗(yàn)的理論模型，土拱的形狀被描述成是半圓形的具有均勻厚度的拱，研究發(fā)現(xiàn)土拱的臨界破壞點(diǎn)只可能出現(xiàn)在土拱拱頂和拱角處，并據(jù)此求解出了樁土應(yīng)力比。英國規(guī)范BS8006采用了 Marston的管道土壓力理論來計(jì)算樁帽、樁間土土壓力。2003年，劉吉福最早研究得到土拱效應(yīng)中荷載分擔(dān)比的表達(dá)式。陳仁朋綜合考慮路堤填土中的土拱效應(yīng)，根據(jù)Marston的計(jì)算理論，建立了考慮樁-土_路堤變形和應(yīng)力協(xié)調(diào)的平衡方程。Ellis Mslam通過開展離心機(jī)試驗(yàn)對(duì)樁承式路堤進(jìn)行研究，研究分析了軟土表面的應(yīng)力分布和路堤表面的不均勻沉降，結(jié)果表明路堤的高度和樁帽間的距離比值是衡量土拱效應(yīng)產(chǎn)生的關(guān)鍵參數(shù)。余闖等結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果，建立了三維有限元數(shù)值模型，對(duì)樁承式路堤中土體豎向應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了分析，其結(jié)果反映出了土體豎向應(yīng)力隨深度的分布規(guī)律、土拱作用機(jī)理以及土拱的作用范圍。費(fèi)康等對(duì)樁承式路堤中的土拱效應(yīng)進(jìn)行了三維模型試驗(yàn)研究，分析了應(yīng)力折減系數(shù)大小和填土中的豎向應(yīng)力分布特點(diǎn)。
[0004]上述理論只考慮了軟土的沉降，而沒有考慮軟土的承載力對(duì)土拱效應(yīng)的影響。從現(xiàn)存的研究中，很難找到一種設(shè)計(jì)方法可以精準(zhǔn)地描述出路堤填土中的土拱效應(yīng)模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，提供了一種樁承式路堤中土拱效應(yīng)的三維有限元建模方法。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明提供的一種樁承式路堤中土拱效應(yīng)的三維有限元建模方法，包括以下步驟:
(1)對(duì)樁承式路堤的實(shí)際情況進(jìn)行簡化，提取結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS，取1/4的樁、樁周土體和路堤作為典型單元進(jìn)行分析，建立有限元模型；
(2)路堤填料和軟土采用摩爾-庫倫模型，并賦予相應(yīng)的材料參數(shù)；
(3)設(shè)置路堤填料和軟土的單元屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分； (4)設(shè)置路堤結(jié)構(gòu)的邊界條件；
(5)對(duì)路堤結(jié)構(gòu)施加荷載。
[0007]所述的步驟(I)中的有限元模型包括路堤和軟土 2個(gè)構(gòu)件，不考慮樁體的變形，在樁帽處設(shè)置固定約束。
[0008]所述的步驟(2)中的材料參數(shù)為密度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、粘聚力；
所述的步驟(3)中的路堤填料和軟土采用8節(jié)點(diǎn)I次實(shí)體單元或20節(jié)點(diǎn)2次實(shí)體單
元，網(wǎng)格劃分前應(yīng)以劃分均勻合格的有限元網(wǎng)格為準(zhǔn)則對(duì)幾何模型進(jìn)行整理，并進(jìn)行網(wǎng)格尺寸敏感性分析，以確定同時(shí)滿足計(jì)算精度和計(jì)算效率的最優(yōu)網(wǎng)格劃分方式；
所述的步驟(4)中的路堤結(jié)構(gòu)的邊界條件，即根據(jù)樁承式路堤的實(shí)際情況，約束路堤填料和軟土的周圍水平位移，同時(shí)對(duì)路堤底部樁帽區(qū)域進(jìn)行固定約束；
由于本發(fā)明主要考慮由于樁和軟土的差異沉降在路堤填料中引起的土拱效應(yīng)，所述的步驟(5)中的路堤結(jié)構(gòu)荷載包括路堤的自重和下部軟土的承載力，建模中在路堤和軟土的接觸面處施加豎向均布荷載模擬軟土的承載作用，大小等于路堤填料的自重，隨后，將豎向均布荷逐漸載減小到零，以模擬軟土的固結(jié)作用，軟土部分不施加荷載。
[0009]有益效果:本發(fā)明提供的樁承式路堤中土拱效應(yīng)的有限元建模方法，基于ABAQUS三維有限元數(shù)值軟件，通過對(duì)樁承式路堤的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化，并同時(shí)考慮軟土的承載力對(duì)土拱效應(yīng)的影響，建立了研究樁承式路堤中土拱效應(yīng)的三維有限元數(shù)值模型，可為樁承式路堤設(shè)計(jì)提供有益的參考。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
[0011]圖2為本發(fā)明建模方法的模型布置平面圖。
[0012]圖3為本發(fā)明建模方法的具體幾何模型及網(wǎng)格劃分圖。
[0013]圖4為本發(fā)明建模方法的路堤填料豎向應(yīng)力隨填土深度的變化曲線。
[0014]圖中:1為模型的四周邊界，2為模型的樁帽區(qū)域，3為模型樁周軟土，4為路堤。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作出進(jìn)一步說明。
[0016]一種樁承式路堤中土拱效應(yīng)的三維有限元建模方法，如圖1所示流程，具體步驟如下:
(1)根據(jù)樁承式路堤的實(shí)際受力狀態(tài)，在保證結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)狀態(tài)基本不變的前提下，簡化路堤結(jié)構(gòu)，并提取結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，達(dá)到降低工作量，減小數(shù)據(jù)處理的目的。應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS，取1/4的樁2、軟土 3和路堤4作為典型單元進(jìn)行分析(如圖2所示)，建立如圖3所示的有限元模型，模型包括2個(gè)構(gòu)件:路堤4和軟土 3，分析中忽略樁體的變形，在樁帽2所在區(qū)域設(shè)置固定約束；
(2)路堤4填料和軟土3采用摩爾-庫倫模型，在材料屬性模塊根據(jù)樁承式路堤的實(shí)際情況定義路堤4填料和軟土 3的密度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角和粘聚力等材料參數(shù)。
[0017](3)以劃分均勻合格的有限元網(wǎng)格為準(zhǔn)則，對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行整理，在網(wǎng)格劃分模塊設(shè)置路堤4和軟土 3的單元屬性，一般選擇8節(jié)點(diǎn)I次實(shí)體單元或20節(jié)點(diǎn)2次實(shí)體單元，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格尺寸敏感性分析，以確定同時(shí)滿足計(jì)算精度和計(jì)算效率的最優(yōu)網(wǎng)格劃分方式，得到如圖3所示的有限元網(wǎng)格；
(4)根據(jù)對(duì)樁承式路堤的實(shí)際受力變形情況的簡化，對(duì)所建立的有限元模型定義邊界條件，包括對(duì)模型的四周表面進(jìn)行水平位移約束，對(duì)路堤底部的樁帽2區(qū)域進(jìn)行固定約束；
(5)根據(jù)樁承式路堤的實(shí)際受力狀態(tài)，在保證結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)基本不變的前提下，考慮引起結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變化的主要荷載，忽略次要的，且計(jì)算復(fù)雜的荷載。由于本發(fā)明主要考慮由于樁2和軟土 3的差異沉降在路堤4填料中引起的土拱效應(yīng)，所以考慮的結(jié)構(gòu)荷載包括路堤4的自重荷載和下部軟土 3的承載力。路堤4自重荷載采用為gravity加載；同時(shí)在路堤4與軟土 3的接觸面處施加豎向均布荷載模擬軟土的承載作用，其值等于上部路堤4的自重，隨后，將豎向均布荷載逐漸減小到零，模擬軟土的固結(jié)作用，軟土部分不施加荷載。
[0018](6)模型的驗(yàn)證。
[0019]Potts & Zdravkovic 米用 Imperial College Finite Element Program 已建立了有限元分析模型，得出路堤填料豎向應(yīng)力隨填料深度的變化曲線(圖4中P & Z分析結(jié)果)。本發(fā)明利用ABAQUS建立的有限元模型進(jìn)行分析，得出路堤填料豎向應(yīng)力隨填料深度的變化曲線(圖4中本發(fā)明分析結(jié)果)，其中P & Z分析結(jié)果所對(duì)應(yīng)的路堤高度為4.0 m,路堤下存在直徑為2.0 m的孔洞；本發(fā)明分析結(jié)果所對(duì)應(yīng)的路堤高度為3.5 m，樁間距為2.0 m，且路堤下樁間土對(duì)其具有支撐作用。
[0020]從圖4可以看出，在一定高度時(shí)，路堤填料豎向應(yīng)力隨著路堤高度的減小而逐漸增加，且路堤填料中的豎向應(yīng)力分布特點(diǎn)滿足自重應(yīng)力，表明填料沒有受到土拱效應(yīng)的影響；當(dāng)路堤填料聞度減小到一定值時(shí)，路堤填料中的豎向應(yīng)力逐漸減小，表明在土拱效應(yīng)的作用下應(yīng)力發(fā)生重分布。由于Potts & Zdravkovic建立的模型中孔洞對(duì)其上部填料沒有支撐作用，故在填料高度為零時(shí)，填料間豎向應(yīng)力減小到零；而本發(fā)明所建立的模型中，路堤下軟土對(duì)其上部填料具有支撐作用，因而在填料高度減小為零時(shí)，填料間的豎向應(yīng)力不會(huì)減小到零。由于兩種情況的路堤填料高度不同，因此兩條分析線呈現(xiàn)平行關(guān)系，而不是重合。圖4中所描述的路堤填料豎向應(yīng)力與路堤填土高度的變化關(guān)系，可以說明本模型是正確合理的。
【權(quán)利要求】
1.一種樁承式路堤中土拱效應(yīng)的三維有限元建模方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)對(duì)樁承式路堤的實(shí)際情況進(jìn)行簡化，提取結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS，取1/4的樁、樁周土體和路堤作為典型單元進(jìn)行分析，建立有限元模型； (2)路堤填料和軟土采用摩爾-庫倫模型，并賦予相應(yīng)的材料參數(shù)； (3)設(shè)置路堤填料和軟土的單元屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分； (4)設(shè)置路堤結(jié)構(gòu)的邊界條件； (5)對(duì)路堤結(jié)構(gòu)施加荷載； 所述的步驟(I)中的有限元模型包括路堤和軟土 2個(gè)構(gòu)件，不考慮樁體的變形，在樁帽處設(shè)置固定約束； 所述的步驟(2)中的材料參數(shù)為密度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、粘聚力； 所述的步驟(3)中的路堤填料和軟土采用8節(jié)點(diǎn)I次實(shí)體單元或20節(jié)點(diǎn)2次實(shí)體單元，網(wǎng)格劃分前應(yīng)以劃分均勻合格的有限元網(wǎng)格為準(zhǔn)則對(duì)幾何模型進(jìn)行整理，并進(jìn)行網(wǎng)格尺寸敏感性分析，以確定同時(shí)滿足計(jì)算精度和計(jì)算效率的最優(yōu)網(wǎng)格劃分方式； 所述的步驟(4)中的路堤結(jié)構(gòu)的邊界條件，即根據(jù)樁承式路堤的實(shí)際情況，約束路堤和軟土的周圍水平位移，同時(shí)對(duì)路堤底部樁帽區(qū)域進(jìn)行固定約束； 所述的步驟(5)中的結(jié)構(gòu)荷載包括路堤的自重和下部軟土的承載力，建模中在路堤和軟土的接觸面處施加豎向均布荷載模擬軟土的承載作用，大小等于路堤填料的自重，隨后，將豎向均布荷逐漸載減小到零，以模擬軟土的固結(jié)作用，軟土部分不施加重力荷載。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103605840SQ201310538715
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】莊妍, 王康宇, 崔曉艷, 陸亞明 申請(qǐng)人:河海大學(xué)