一种桩承式加筋路堤的有限元建模分析方法

摘要

本发明公开了一种桩承式加筋路堤的有限元建模分析方法，包括以下步骤：（1）将桩承式加筋路堤简化为由路堤、加筋垫层、桩和软土组成的简化结构；（2）提取结构的几何参数，应用有限元软件ABAQUS建立路堤和加筋垫层有限元模型；（3）对路堤和加筋垫层赋予材料属性和单元属性，并划分网格；（4）将桩和软土简化为刚度不同的弹簧，在interaction模块中选择弹簧单元，并分别赋予不同的弹簧刚度；（5）设置结构的边界条件；（6）施加结构荷载。本发明基于ABAQUS有限元软件，通过将桩承式路堤加筋路堤结构进行简化，提供了一种既简便实用又接近实际的桩承式加筋路堤的有限元建模分析方法，适用于桩承式加筋路堤的设计和计算。

说明书

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加筋路堤的有限元建模分析方法。

背景技术

桩承式加筋路堤由路堤填料、加筋褥垫层、桩（桩帽或桩梁）和地基土组成，是近年来在软土地区兴起的一种新型路堤形式，采用桩承式加筋路堤，能有效地控制地基的沉降和侧向变形，从而减小工后沉降和不均匀沉降，同时可快速填筑施工，无需预压期和二次开挖，大大缩短施工工期，施工质量容易控制，其造价与水泥搅拌桩地基基本相当，具有明显的经济效益和社会效益。因此，桩承式加筋路堤在国内外得到了较为广泛的应用。桩承式加筋路堤受力性状比较复杂，涉及路堤填土、桩、桩间土和加筋褥垫层之间的相互作用，其中土拱效应和加筋体的拉膜效应是桩承式加筋路堤涉及的重要研究课题。为了研究桩承式加筋路堤的作用机理及荷载转移形式，国内外学者开展了桩承式加筋路堤的广泛研究，包括室内外试验、理论分析研究和数值分析研究。

利用有限元软件进行桩承式加筋路堤的分析研究，已经取得了很多的成果，但同时，也存在一些不足。当前的桩承式加筋路堤的有限元方法研究，要么仅考虑由单根桩、其周围的地基土、加筋垫层及路堤填料所组成的单元体进行分析，要么考虑整个桩承式加筋路堤断面进行分析。前者考虑的结构单元忽略了结构的在空间中的相互影响及整体作用，因而不能完全反映桩承式加筋路堤的实际受力变形特性。后者考虑整个桩承式加筋路堤断面，使得建模的过程比较复杂，各结构间的接触条件、边界条件等不易处理，同时，较多的网格单元也增大了计算收敛的难度，造成较大的时间成本。而且，较为复杂的模型也使得后处理各种分析结果比较复杂。因而在实际的工程设计中很少使用且较难推广。

发明内容

发明目的：本发明针对现有研究的不足，提供了一种桩承式加筋路堤的有限元建模分析方法。

技术方案：本发明提供的一种桩承式加筋路堤的有限元建模分析方法。包括以下步骤：

（1） 将桩承式加筋路堤简化为由路堤、加筋垫层、桩和软土组成的简化结构；

（2） 提取结构的的几何参数，应用有限元软件ABAQUS建立路堤和加筋垫层有限元模型；

（3） 对路堤和加筋垫层赋予材料属性和单元属性，并划分网格；

（4） 将桩和软土简化为刚度不同的弹簧，在interaction模块中选择弹簧单元，并分别赋予不同的弹簧刚度；

（5） 设置结构的边界条件；

（6） 施加结构荷载。

所述步骤（1）具体为：根据桩承式加筋路堤设计施工的CAD图纸，忽略对结构计算影响较小的构件，把桩承式加筋路堤结构简化为由路堤、加筋褥垫层、桩和软土构成的简化结构，并提取这些结构的几何参数；

所述步骤（2）具体为：根据已提取的路堤、加筋褥垫层的厚度、长度、桩的坐标等几何参数建立包含有路堤和加筋褥垫层的有限元模型；

所述步骤（3）具体为：路堤和褥垫层采用摩尔-库伦屈服准则，并采用8节点1次实体单元或20节点2次实体单元；加筋体用线弹性模拟，采用4节点1次膜单元或8节点2次膜单元。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；

所述步骤（4）具体为：将路堤和软土简化为刚度不同的弹簧，在interaction模块中创建连结类型为connect point to ground的弹簧，分别设置桩弹簧和软土弹簧的弹簧刚度，选择弹簧自由度为3（z方向），使弹簧仅发生竖向的变形；

所述步骤（5）中的路堤结构的边界条件，即根据桩承式路堤的实际情况，约束路堤和加筋褥垫层水平位移，结构顶面为自由面。

所述步骤（6）中结构的荷载为路堤和褥垫层的自重荷载，施加方式为gravity加载。

有益效果：本发明提供的桩承式加筋路堤的有限元建模分析方法，通过将桩承式加筋路堤简化为由路堤、加筋褥垫层、桩和软土组成的简化结构，并提取其几何参数，建立ABAQUS有限元模型，将桩和软土简化为刚度不同的弹簧，通过在ABAQUS的interaction模块中定义弹簧刚度和自由度来模拟实际工程中桩和软土的承载变形作用。不仅能够正确表现桩承式加筋路堤各部分构件的相互作用，能够较为真实的模拟桩承式加筋路堤结构的受力变形特性，而且建模过程简单，计算所需时间少，对所需结果的后处理比较方便，较易在桩承式加筋路堤的设计和计算分析中推广使用。

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简化模型布置平面图；

图3为本发明桩的等效示意图；

图4为本发明建模方法的具体几何模型及网格划分图。

图中，1为路堤，2为褥垫层，3为加筋体，4为桩，5为软土，6为桩弹簧，7为软土弹簧。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

一种桩承式加筋路堤的有限元建模方法，如图1所示流程，具体步骤如下：

（1）将桩承式加筋路堤简化为如图2所示的由路堤1、褥垫层2、加筋体3、桩4和软土5组成的简化结构；

根据桩承式加筋路堤设计施工的CAD图纸，忽略对结构计算影响较小的构件，把桩承式加筋路堤结构简化为由路堤1、褥垫层2、加筋体3、桩4和软土5构成的简化结构，并提取这些结构的坐标、长度、厚度、宽度等几何参数；

（2）提取结构的的几何参数，应用有限元软件ABAQUS建立路堤1和褥垫层2和加筋体3的有限元模型；

根据所提取的几何参数，建立如图4所示的路堤1、褥垫层2和加筋体3的有限元模型；其中模型宽度b的取值为桩间距的长度。

（3）对路堤1、褥垫层2和加筋体3赋予材料属性和单元属性，并划分网格；

路堤1和褥垫层2采用摩尔-库伦屈服准则，在property模块中输入材料的密度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力等参数，并采用8节点1次实体单元或20节点2次实体单元；加筋体3用线弹性模拟，输入加筋体3的弹性模量和泊松比，采用4节点1次膜单元或8节点2次膜单元。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，得到如图4所示的有限元网格；

（4）将桩4和软土5简化为刚度不同的弹簧，在interaction模块中选择弹簧单元，并分别赋予不同的弹簧刚度；

考虑桩4和软土5均为线弹性材料，且仅发生竖直方向的位移，采用刚度不同的线性弹簧来模拟。建模中，在interaction模块中创建连结类型为connect point to ground的弹簧，选择弹簧自由度为3（z方向），使弹簧仅发生竖向的变形，并分别设置桩弹簧6和软土弹簧7的刚度。若软土5的加权平均弹性模量为E_s，泊松比为v，模型计算宽度为b，则软土弹簧7的刚度可计算为：                                                。若桩4的刚度系数为K_p，桩的宽度为d（圆桩的为其直径d），计算宽度内桩的截面积为A_p，如图3所示，桩弹簧6的刚度可以由下式计算：；

（5）设置结构的边界条件；

在ABAQUS的LOAD模块中，对路堤1、褥垫层2、加筋体3分别约束水平位移，结构的上表面为自由面；

（6）施加结构荷载；

根据桩承式加筋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，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。本发明中的结构荷载包括路堤1和褥垫层2的自重荷载，施加方式为gravity加载。