CN103605840A - 一种桩承式路堤中土拱效应的三维有限元建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桩承式路堤中土拱效应的三维有限元建模方法。包括以下步骤：对桩承式路堤的实际情况进行简化，提取结构的几何参数，应用有限元分析软件ABAQUS，取1/4的桩、桩周土体和路堤作为典型单元进行分析，建立有限元模型；路堤填料和软土采用摩尔-库伦模型，并赋予相应的材料参数；设置路堤和软土的单元属性，进行网格划分；设置路堤结构的边界条件；对路堤结构施加荷载。本发明基于ABAQUS三维有限元数值软件，通过对桩承式路堤的实际结构进行简化，并同时考虑软土的承载力对土拱效应的影响，建立了研究桩承式路堤中土拱效应的研究三维有限元数值模型，可为桩承式路堤设计研究提供有益的参考。
Description
技术领域
本发明涉及公路工程计算机辅助设计技术领域，特别涉及一种桩承式路堤中土拱效应研究的三维有限元建模方法。
背景技术
桩和桩周软土在上部路堤荷载作用下产生的不均匀沉降将会使软土层上方的路堤填土沉降量大于桩上方填土层的沉降量。在路堤填土层中产生的不均匀沉降将会促使剪应变或者剪切面的产生，因此来自于路堤以及上部荷载的竖向应力会重新分布，使得传递到桩顶的竖向应力增加，而传递到软土的竖向应力减少，这种由于不均匀沉降而引起的应力重分布的现象被定义为“土拱效应”。
近年来，国内外学者针对土拱效应进行了大量的研究，提出了不同的土拱效应模型和计算方法：1987年，Guido等提出土拱的形状为正四棱锥，棱锥侧面与底面的夹角假设为45°，土工格栅仅承担该四棱锥部分的荷载，其余荷载由桩来承担。1988年，Hewlett &Randolph提出了基于试验的理论模型,土拱的形状被描述成是半圆形的具有均匀厚度的拱，研究发现土拱的临界破坏点只可能出现在土拱拱顶和拱角处，并据此求解出了桩土应力比。英国规范BS8006采用了Marston 的管道土压力理论来计算桩帽、桩间土土压力。2003 年，刘吉福最早研究得到土拱效应中荷载分担比的表达式。陈仁朋综合考虑路堤填土中的土拱效应，根据Marston 的计算理论，建立了考虑桩-土-路堤变形和应力协调的平衡方程。Ellis &Aslam通过开展离心机试验对桩承式路堤进行研究，研究分析了软土表面的应力分布和路堤表面的不均匀沉降，结果表明路堤的高度和桩帽间的距离比值是衡量土拱效应产生的关键参数。余闯等结合模型试验结果,建立了三维有限元数值模型,对桩承式路堤中土体竖向应力分布规律进行了分析，其结果反映出了土体竖向应力随深度的分布规律、土拱作用机理以及土拱的作用范围。费康等对桩承式路堤中的土拱效应进行了三维模型试验研究，分析了应力折减系数大小和填土中的竖向应力分布特点。
上述理论只考虑了软土的沉降，而没有考虑软土的承载力对土拱效应的影响。从现存的研究中，很难找到一种设计方法可以精准地描述出路堤填土中的土拱效应模型。
发明内容
发明目的：本发明针对现有研究的不足，提供了一种桩承式路堤中土拱效应的三维有限元建模方法。
技术方案：本发明提供的一种桩承式路堤中土拱效应的三维有限元建模方法，包括以下步骤：
（1） 对桩承式路堤的实际情况进行简化，提取结构的几何参数，应用有限元分析软件ABAQUS，取1/4的桩、桩周土体和路堤作为典型单元进行分析，建立有限元模型；
（2） 路堤填料和软土采用摩尔-库伦模型，并赋予相应的材料参数；
（3） 设置路堤填料和软土的单元属性，进行网格划分；
（4） 设置路堤结构的边界条件；
（5） 对路堤结构施加荷载。
所述的步骤（1）中的有限元模型包括路堤和软土2个构件，不考虑桩体的变形，在桩帽处设置固定约束。
所述的步骤（2）中的材料参数为密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力；
所述的步骤（3）中的路堤填料和软土采用8节点1次实体单元或20节点2次实体单元，网格划分前应以划分均匀合格的有限元网格为准则对几何模型进行整理，并进行网格尺寸敏感性分析，以确定同时满足计算精度和计算效率的最优网格划分方式；
所述的步骤（4）中的路堤结构的边界条件，即根据桩承式路堤的实际情况，约束路堤填料和软土的周围水平位移，同时对路堤底部桩帽区域进行固定约束；
由于本发明主要考虑由于桩和软土的差异沉降在路堤填料中引起的土拱效应，所述的步骤（5）中的路堤结构荷载包括路堤的自重和下部软土的承载力，建模中在路堤和软土的接触面处施加竖向均布荷载模拟软土的承载作用，大小等于路堤填料的自重，随后，将竖向均布荷逐渐载减小到零，以模拟软土的固结作用，软土部分不施加荷载。
有益效果：本发明提供的桩承式路堤中土拱效应的有限元建模方法，基于ABAQUS 三维有限元数值软件，通过对桩承式路堤的实际结构进行合理的简化，并同时考虑软土的承载力对土拱效应的影响，建立了研究桩承式路堤中土拱效应的三维有限元数值模型，可为桩承式路堤设计提供有益的参考。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明建模方法的模型布置平面图。
图3为本发明建模方法的具体几何模型及网格划分图。
图4为本发明建模方法的路堤填料竖向应力随填土深度的变化曲线。
图中：1为模型的四周边界，2为模型的桩帽区域，3为模型桩周软土，4为路堤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作出进一步说明。
一种桩承式路堤中土拱效应的三维有限元建模方法，如图1所示流程，具体步骤如下：
（1） 根据桩承式路堤的实际受力状态，在保证结构受力状态状态基本不变的前提下，简化路堤结构，并提取结构的几何参数，达到降低工作量，减小数据处理的目的。应用有限元分析软件ABAQUS，取1/4的桩2、软土3和路堤4作为典型单元进行分析（如图2所示），建立如图3所示的有限元模型，模型包括2个构件：路堤4和软土3，分析中忽略桩体的变形，在桩帽2所在区域设置固定约束；
（2） 路堤4填料和软土3采用摩尔-库伦模型，在材料属性模块根据桩承式路堤的实际情况定义路堤4填料和软土3的密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和粘聚力等材料参数。
（3） 以划分均匀合格的有限元网格为准则，对所建立的有限元模型进行整理，在网格划分模块设置路堤4和软土3的单元属性，一般选择8节点1次实体单元或20节点2次实体单元，对模型进行网格尺寸敏感性分析，以确定同时满足计算精度和计算效率的最优网格划分方式，得到如图3所示的有限元网格；
（4） 根据对桩承式路堤的实际受力变形情况的简化，对所建立的有限元模型定义边界条件，包括对模型的四周表面进行水平位移约束，对路堤底部的桩帽2区域进行固定约束；
（5） 根据桩承式路堤的实际受力状态，在保证结构受力状态基本不变的前提下，考虑引起结构受力状态变化的主要荷载，忽略次要的，且计算复杂的荷载。由于本发明主要考虑由于桩2和软土3的差异沉降在路堤4填料中引起的土拱效应，所以考虑的结构荷载包括路堤4的自重荷载和下部软土3的承载力。路堤4自重荷载采用为gravity加载；同时在路堤4与软土3的接触面处施加竖向均布荷载模拟软土的承载作用，其值等于上部路堤4的自重，随后，将竖向均布荷载逐渐减小到零，模拟软土的固结作用，软土部分不施加荷载。
（6） 模型的验证。
Potts & Zdravkovic采用Imperial College Finite Element Program 已建立了有限元分析模型，得出路堤填料竖向应力随填料深度的变化曲线(图4 中P & Z 分析结果)。本发明利用ABAQUS 建立的有限元模型进行分析，得出路堤填料竖向应力随填料深度的变化曲线(图4中本发明分析结果)，其中P & Z 分析结果所对应的路堤高度为4.0 m，路堤下存在直径为2.0 m 的孔洞；本发明分析结果所对应的路堤高度为3.5 m，桩间距为2.0 m，且路堤下桩间土对其具有支撑作用。
从图4可以看出，在一定高度时，路堤填料竖向应力随着路堤高度的减小而逐渐增加，且路堤填料中的竖向应力分布特点满足自重应力，表明填料没有受到土拱效应的影响；当路堤填料高度减小到一定值时，路堤填料中的竖向应力逐渐减小，表明在土拱效应的作用下应力发生重分布。由于Potts & Zdravkovic 建立的模型中孔洞对其上部填料没有支撑作用，故在填料高度为零时，填料间竖向应力减小到零；而本发明所建立的模型中，路堤下软土对其上部填料具有支撑作用，因而在填料高度减小为零时，填料间的竖向应力不会减小到零。由于两种情况的路堤填料高度不同，因此两条分析线呈现平行关系，而不是重合。图4 中所描述的路堤填料竖向应力与路堤填土高度的变化关系，可以说明本模型是正确合理的。
Claims (1)
1.一种桩承式路堤中土拱效应的三维有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1） 对桩承式路堤的实际情况进行简化，提取结构的几何参数，应用有限元分析软件ABAQUS，取1/4的桩、桩周土体和路堤作为典型单元进行分析，建立有限元模型；
（2） 路堤填料和软土采用摩尔-库伦模型，并赋予相应的材料参数；
（3） 设置路堤填料和软土的单元属性，进行网格划分；
（4） 设置路堤结构的边界条件；
（5） 对路堤结构施加荷载；
所述的步骤（1）中的有限元模型包括路堤和软土2个构件，不考虑桩体的变形，在桩帽处设置固定约束；
所述的步骤（2）中的材料参数为密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力；
所述的步骤（3）中的路堤填料和软土采用8节点1次实体单元或20节点2次实体单元，网格划分前应以划分均匀合格的有限元网格为准则对几何模型进行整理，并进行网格尺寸敏感性分析，以确定同时满足计算精度和计算效率的最优网格划分方式；
所述的步骤（4）中的路堤结构的边界条件，即根据桩承式路堤的实际情况，约束路堤和软土的周围水平位移，同时对路堤底部桩帽区域进行固定约束；
所述的步骤（5）中的结构荷载包括路堤的自重和下部软土的承载力，建模中在路堤和软土的接触面处施加竖向均布荷载模拟软土的承载作用，大小等于路堤填料的自重，随后，将竖向均布荷逐渐载减小到零，以模拟软土的固结作用,软土部分不施加重力荷载。
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