[發(fā)明專利]一種樁承式路堤中土拱效應的三維有限元建模方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310538715.8
• 申請日: 2013-11-04
• 公開（公告）號: CN103605840A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發(fā)明（設計）人: 莊妍;王康宇;崔曉艷;陸亞明
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 虞希光

技術領域

本發(fā)明涉及公路工程計算機輔助設計技術領域，特別涉及一種樁承式路堤中土拱效應研究的三維有限元建模方法。

背景技術

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促使剪應變或者剪切面的產(chǎn)生，因此來自于路堤以及上部荷載的豎向應力會重新分布，使得傳遞到樁頂?shù)呢Q向應力增加，而傳遞到軟土的豎向應力減少，這種由于不均勻沉降而引起的應力重分布的現(xiàn)象被定義為“土拱效應”。

近年來，國內(nèi)外學者針對土拱效應進行了大量的研究，提出了不同的土拱效應模型和計算方法：1987年，Guido等提出土拱的形狀為正四棱錐，棱錐側面與底面的夾角假設為45°，土工格柵僅承擔該四棱錐部分的荷載，其余荷載由樁來承擔。1988年，Hewlett?&Randolph提出了基于試驗的理論模型,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)此求解出了樁土應力比。英國規(guī)范BS8006采用了Marston?的管道土壓力理論來計算樁帽、樁間土土壓力。2003?年，劉吉福最早研究得到土拱效應中荷載分擔比的表達式。陳仁朋綜合考慮路堤填土中的土拱效應，根據(jù)Marston?的計算理論，建立了考慮樁-土-路堤變形和應力協(xié)調的平衡方程。Ellis?&Aslam通過開展離心機試驗對樁承式路堤進行研究，研究分析了軟土表面的應力分布和路堤表面的不均勻沉降，結果表明路堤的高度和樁帽間的距離比值是衡量土拱效應產(chǎn)生的關鍵參數(shù)。余闖等結合模型試驗結果,建立了三維有限元數(shù)值模型,對樁承式路堤中土體豎向應力分布規(guī)律進行了分析，其結果反映出了土體豎向應力隨深度的分布規(guī)律、土拱作用機理以及土拱的作用范圍。費康等對樁承式路堤中的土拱效應進行了三維模型試驗研究，分析了應力折減系數(shù)大小和填土中的豎向應力分布特點。

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土拱效應的影響。從現(xiàn)存的研究中，很難找到一種設計方法可以精準地描述出路堤填土中的土拱效應模型。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明針對現(xiàn)有研究的不足，提供了一種樁承式路堤中土拱效應的三維有限元建模方法。

技術方案：本發(fā)明提供的一種樁承式路堤中土拱效應的三維有限元建模方法，包括以下步驟：

（1）?對樁承式路堤的實際情況進行簡化，提取結構的幾何參數(shù)，應用有限元分析軟件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，并賦予相應的材料參數(shù)；

（3）?設置路堤填料和軟土的單元屬性，進行網(wǎng)格劃分；

（4）?設置路堤結構的邊界條件；

（5）?對路堤結構施加荷載。

所述的步驟（1）中的有限元模型包括路堤和軟土2個構件，不考慮樁體的變形，在樁帽處設置固定約束。

????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1次實體單元或20節(jié)點2次實體單元，網(wǎng)格劃分前應以劃分均勻合格的有限元網(wǎng)格為準則對幾何模型進行整理，并進行網(wǎng)格尺寸敏感性分析，以確定同時滿足計算精度和計算效率的最優(yōu)網(wǎng)格劃分方式；

所述的步驟（4）中的路堤結構的邊界條件，即根據(jù)樁承式路堤的實際情況，約束路堤填料和軟土的周圍水平位移，同時對路堤底部樁帽區(qū)域進行固定約束；

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，所述的步驟（5）中的路堤結構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，以模擬軟土的固結作用，軟土部分不施加荷載。

有益效果：本發(fā)明提供的樁承式路堤中土拱效應的有限元建模方法，基于ABAQUS?三維有限元數(shù)值軟件，通過對樁承式路堤的實際結構進行合理的簡化，并同時考慮軟土的承載力對土拱效應的影響，建立了研究樁承式路堤中土拱效應的三維有限元數(shù)值模型，可為樁承式路堤設計提供有益的參考。

附圖說明

?圖1為本發(fā)明的方法流程圖。

圖2為本發(fā)明建模方法的模型布置平面圖。

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。