[發明專利]模擬大變形連續貫入過程的混合網格有限元分析方法

在審

• 申請號: 202110676020.0
• 申請日: 2021-06-18
• 公開（公告）號: CN113505505A
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 竇錦鐘;孫旻;韓磊;冉岸綠;吳劍秋;袁青云;熊國軍;方興杰
• 申請（專利權）人: 中國建筑第八工程局有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/13;G06F119/14
• 代理公司: 上海唯源專利代理有限公司 31229
• 代理人: 季辰玲

本發明涉及一種模擬大變形連續貫入過程的混合網格有限元分析方法，包括步驟：對貫入構件和待貫入土體建立有限元模型，將該土體的有限元模型劃分為采用總應力法的近構件區域以及采用有效應力法的遠構件區域；獲取遠構件區域的有效應力土體參數，基于處于彈性變形階段的各向同性土體的剪切和體積效應同時在總應力法下以及有效應力法下解耦的假定，根據該有效應力土體參數推導出近構件區域的總應力土體參數；根據該貫入構件和該土體的有限元模型以及該有效應力土體參數和該總應力土體參數對大變形連續貫入該土體的過程進行有限元模擬。本發明可以同時解決飽和軟土中貫入構件連續貫入有限元模擬中發生的網格畸變問題以及孔隙水壓力效應問題。

技術領域

本發明涉及建筑工程領域，特別涉及一種模擬大變形連續貫入過程的混合網格有限元分析方法。

背景技術

在巖土工程領域，對飽和軟土中管樁的連續貫入過程進行有限元模擬時，面臨著土體模型網格過大變形產生網格畸變問題。目前，處理大變形連續貫入問題的常用有限元方法主要分為三類：

(1)Lagrangian方法。該方法采用有效應力形式的有限元模型，可以考慮孔隙水壓力效應的影響，但無法解決土體大變形帶來的網格畸變問題，需與圓孔擴張理論、預鉆孔樁或者套管法相結合，進而有限地解決網格畸變問題。但是，圓孔擴張理論的缺陷在于該方法不能體現樁的下沉機理，并且不能考慮動力下沉特性；采用預鉆孔樁的缺陷在于該方法只能計算出較小的樁下沉深度，且不能較好地模擬土體的動力響應；套管法的缺陷是剛性管的存在導致樁底兩側土體的移動被限制，將影響樁-土相互作用機理。

(2)ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法。雖然處理大變形的能力強于Lagrange方法，但由于該方法采用總應力形式的有限元模型，忽略了孔隙水壓力效應的影響，而且該方法網格無法劈裂，僅適用于閉口樁型，為避免從地表貫入時模型網格的變形過大，通常預設一定的初始埋入深度，并采用“拉鏈法”以模擬連續貫入過程，即在樁尖處設置貫穿樁體和土體模型的極細的無摩擦剛性管，但由于剛性管的存在阻礙了樁尖下部兩側土體的移動，影響了樁-土間的相互作用機理。

(3)CEL(Coupled Eulerian-Lagrangian)方法。盡管該方法徹底克服了網格大變形問題，可適用于各種樁型的貫入模擬，但該方法也是采用總應力形式的有限元模型，忽略了孔隙水壓力效應的影響，而且該方法僅適用于三維模型，且需要在土體邊界的上部設置部分空網格(不分配材料)以模擬土體表面的隆起現象。

相較于砂土中管樁連續貫入作用主要體現在土體變形，對于飽和軟土，管樁連續貫入作用還體現在貫入階段土體超孔隙水壓力(EPWP)的生成以及貫入結束后EPWP的消散，不僅會威脅樁周一定范圍內建(構)筑物的安全，還會改變臨近土體的有效應力狀態，從而影響貫入階段自身貫入阻力以及貫入結束后樁基承載力時效。因此，在對飽和軟土中管樁連續貫入過程進行有限元模擬時，除需要解決土體大變形引起的網格畸變問題，還需要考慮孔隙水壓力效應，在這種情況下上述任一方法均無法滿足實際要求。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種模擬大變形連續貫入過程的混合網格有限元分析方法，可以同時解決飽和軟土中貫入構件連續貫入有限元模擬中發生的網格畸變問題以及孔隙水壓力效應問題。

本發明通過如下方案來實現：一種模擬大變形連續貫入過程的混合網格有限元分析方法，包括步驟：

對貫入構件和待貫入土體建立有限元模型，將所述土體的有限元模型劃分為采用總應力法的近構件區域以及采用有效應力法的遠構件區域；

獲取遠構件區域的有效應力土體參數，基于處于彈性變形階段的各向同性土體的剪切和體積效應同時在總應力法下以及有效應力法下解耦的假定，根據所述有效應力土體參數推導出近構件區域的總應力土體參數；

根據所述貫入構件和所述土體的有限元模型以及所述有效應力土體參數和所述總應力土體參數對所述大變形連續貫入所述土體的過程進行有限元模擬。