一種樁承式加筋路堤的有限元建模分析方法技術

本發明專利技術公開了一種樁承式加筋路堤的有限元建模分析方法，包括以下步驟：（1）將樁承式加筋路堤簡化為由路堤、加筋墊層、樁和軟土組成的簡化結構；（2）提取結構的幾何參數，應用有限元軟件ABAQUS建立路堤和加筋墊層有限元模型；（3）對路堤和加筋墊層賦予材料屬性和單元屬性，并劃分網格；（4）將樁和軟土簡化為剛度不同的彈簧，在interaction模塊中選擇彈簧單元，并分別賦予不同的彈簧剛度；（5）設置結構的邊界條件；（6）施加結構荷載。本發明專利技術基于ABAQUS有限元軟件，通過將樁承式路堤加筋路堤結構進行簡化，提供了一種既簡便實用又接近實際的樁承式加筋路堤的有限元建模分析方法，適用于樁承式加筋路堤的設計和計算。

【技術實現步驟摘要】
一種粧承式加筋路堤的有限元建模分析方法
本專利技術涉及公路工程計算機輔助設計
，特別涉及。
技術介紹
樁承式加筋路堤由路堤填料、加筋褥墊層、樁(樁帽或樁梁)和地基土組成，是近年來在軟土地區興起的一種新型路堤形式，采用樁承式加筋路堤，能有效地控制地基的沉降和側向變形，從而減小工后沉降和不均勻沉降，同時可快速填筑施工，無需預壓期和二次開挖，大大縮短施工工期，施工質量容易控制，其造價與水泥攪拌樁地基基本相當，具有明顯的經濟效益和社會效益。因此，樁承式加筋路堤在國內外得到了較為廣泛的應用。樁承式加筋路堤受力性狀比較復雜，涉及路堤填土、樁、樁間土和加筋褥墊層之間的相互作用，其中土拱效應和加筋體的拉膜效應是樁承式加筋路堤涉及的重要研究課題。為了研究樁承式加筋路堤的作用機理及荷載轉移形式，國內外學者開展了樁承式加筋路堤的廣泛研究，包括室內外試驗、理論分析研究和數值分析研究。利用有限元軟件進行樁承式加筋路堤的分析研究，已經取得了很多的成果，但同時，也存在一些不足。當前的樁承式加筋路堤的有限元方法研究，要么僅考慮由單根樁、其周圍的地基土、加筋墊層及路堤填料所組成的單元體進行分析，要么考慮整個樁承式加筋路堤斷面進行分析。前者考慮的結構單元忽略了結構的在空間中的相互影響及整體作用，因而不能完全反映樁承式加筋路堤的實際受力變形特性。后者考慮整個樁承式加筋路堤斷面，使得建模的過程比較復雜，各結構間的接觸條件、邊界條件等不易處理，同時，較多的網格單元也增大了計算收斂的難度，造成較大的時間成本。而且，較為復雜的模型也使得后處理各種分析結果比較復雜。因而在實際的工程設計中很少使用且較難推廣。
技術實現思路
專利技術目的:本專利技術針對現有研究的不足，提供了。技術方案:本專利技術提供的。包括以下步驟: (1)將樁承式加筋路堤簡化為由路堤、加筋墊層、樁和軟土組成的簡化結構； (2)提取結構的的幾何參數，應用有限元軟件ABAQUS建立路堤和加筋墊層有限元模型； (3)對路堤和加筋墊層賦予材料屬性和單元屬性，并劃分網格； (4)將樁和軟土簡化為剛度不同的彈簧，在interaction模塊中選擇彈簧單元，并分別賦予不同的彈簧剛度； (5)設置結構的邊界條件； (6)施加結構荷載。所述步驟(I)具體為:根據樁承式加筋路堤設計施工的CAD圖紙，忽略對結構計算影響較小的構件，把樁承式加筋路堤結構簡化為由路堤、加筋褥墊層、樁和軟土構成的簡化結構，并提取這些結構的幾何參數； 所述步驟(2)具體為:根據已提取的路堤、加筋褥墊層的厚度、長度、樁的坐標等幾何參數建立包含有路堤和加筋褥墊層的有限元模型； 所述步驟(3)具體為:路堤和褥墊層采用摩爾-庫倫屈服準則，并采用8節點I次實體單元或20節點2次實體單元；加筋體用線彈性模擬，采用4節點I次膜單元或8節點2次膜單元。網格劃分前應以劃分均勻合格的有限元網格為準則對幾何模型進行整理，并進行網格尺寸敏感性分析，以確定同時滿足計算精度和計算效率的最優網格劃分方式； 所述步驟(4)具體為:將路堤和軟土簡化為剛度不同的彈簧，在interaction模塊中創建連結類型為connect point to ground的彈簧,分別設置樁彈簧和軟土彈簧的彈簧剛度，選擇彈簧自由度為3 U方向)，使彈簧僅發生豎向的變形； 所述步驟(5)中的路堤結構的邊界條件，即根據樁承式路堤的實際情況，約束路堤和加筋褥墊層水平位移，結構頂面為自由面。所述步驟(6)中結構的荷載為路堤和褥墊層的自重荷載，施加方式為gravity加載。有益效果:本專利技術提供的樁承式加筋路堤的有限元建模分析方法，通過將樁承式加筋路堤簡化為由路堤、加筋褥墊層、樁和軟土組成的簡化結構，并提取其幾何參數，建立ABAQUS有限元模型，將樁和軟土簡化為剛度不同的彈簧，通過在ABAQUS的interaction模塊中定義彈簧剛度和自由度來模擬實際工程中樁和軟土的承載變形作用。不僅能夠正確表現樁承式加筋路堤各部分構件的相互作用，能夠較為真實的模擬樁承式加筋路堤結構的受力變形特性，而且建模過程簡單，計算所需時間少，對所需結果的后處理比較方便，較易在樁承式加筋路堤的設計和計算分析中推廣使用。【附圖說明】: 圖1為本專利技術的方法流程圖； 圖2為本專利技術建模方法的簡化模型布置平面圖； 圖3為本專利技術樁的等效示意圖； 圖4為本專利技術建模方法的具體幾何模型及網格劃分圖。圖中，I為路堤,2為褥墊層,3為加筋體,4為樁,5為軟土,6為樁彈簧,7為軟土彈簧。【具體實施方式】以下結合附圖詳細敘述本專利技術的【具體實施方式】。本專利技術的保護范圍并不僅僅局限于本實施方式的描述。一種樁承式加筋路堤的有限元建模方法，如圖1所示流程，具體步驟如下: (I)將樁承式加筋路堤簡化為如圖2所示的由路堤1、褥墊層2、加筋體3、樁4和軟土5組成的簡化結構； 根據樁承式加筋路堤設計施工的CAD圖紙，忽略對結構計算影響較小的構件，把樁承式加筋路堤結構簡化為由路堤1、褥墊層2、加筋體3、樁4和軟土 5構成的簡化結構，并提取這些結構的坐標、長度、厚度、寬度等幾何參數； (2)提取結構的的幾何參數，應用有限元軟件ABAQUS建立路堤I和褥墊層2和加筋體3的有限元模型； 根據所提取的幾何參數，建立如圖4所示的路堤1、褥墊層2和加筋體3的有限元模型；其中模型寬度6的取值為樁間距的長度。(3)對路堤1、褥墊層2和加筋體3賦予材料屬性和單元屬性，并劃分網格； 路堤I和褥墊層2采用摩爾-庫倫屈服準則，在property模塊中輸入材料的密度、彈性模量、內摩擦角、粘聚力等參數，并采用8節點I次實體單元或20節點2次實體單元；加筋體3用線彈性模擬，輸入加筋體3的彈性模量和泊松比，采用4節點I次膜單元或8節點2次膜單元。網格劃分前應以劃分均勻合格的有限元網格為準則對幾何模型進行整理，并進行網格尺寸敏感性分析，以確定同時滿足計算精度和計算效率的最優網格劃分方式，得到如圖4所示的有限元網格； (4)將樁4和軟土5簡化為剛度不同的彈簧，在interaction模塊中選擇彈簧單元，并分別賦予不同的彈簧剛度； 考慮樁4和軟土 5均為線彈性材料，且僅發生豎直方向的位移，采用剛度不同的線性彈簧來模擬。建模中，在interaction模塊中創建連結類型為connect point to ground的彈簧，選擇彈簧自由度為3U方向)，使彈簧僅發生豎向的變形，并分別設置樁彈簧6和軟土彈簧I的剛度。若軟土 5的加權平均彈性模量為盡，泊松比為^模型計算寬度為&則軟土彈簧7的剛度可計算為:本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種樁承式加筋路堤的有限元建模分析方法，?其特征在于包括以下步驟：（1）將樁承式加筋路堤簡化為由路堤、加筋墊層、樁和軟土組成的簡化結構；（2）提取結構的的幾何參數,應用有限元軟件ABAQUS建立路堤和加筋墊層有限元模型；（3）對路堤和加筋墊層賦予材料屬性和單元屬性，并劃分網格；（4）將樁和軟土簡化為剛度不同的彈簧，在interaction模塊中選擇彈簧單元，并分別賦予不同的彈簧剛度；（5）設置結構的邊界條件；（6）施加結構荷載；所述步驟（1）具體為：根據樁承式加筋路堤設計施工的CAD圖紙，忽略對結構計算影響較小的構件，把樁承式加筋路堤結構簡化為由路堤、加筋褥墊層、樁和軟土構成的簡化結構，并提取這些結構的幾何參數；所述步驟（2）具體為：根據已提取的路堤、加筋褥墊層的厚度、長度、樁的坐標等幾何參數建立包含有路堤和加筋褥墊層的有限元模型；所述步驟（3）具體為：路堤和褥墊層采用摩爾?庫倫屈服準則，并采用8節點1次實體單元或20節點2次實體單元；加筋體用線彈性模擬，采用4節點1次膜單元或8節點2次膜單元；網格劃分前應以劃分均勻合格的有限元網格為準則對幾何模型進行整理，并進行網格尺寸敏感性分析，以確定同時滿足計算精度和計算效率的最優網格劃分方式；所述步驟（4）具體為：將路堤和軟土簡化為剛度不同的彈簧，在interaction模塊中創建連結類型為connect?point?to?ground的彈簧，分別設置樁彈簧和軟土彈簧的彈簧剛度，選擇彈簧自由度為3（z方向），使彈簧僅發生豎向的變形；所述步驟（5）中的路堤結構的邊界條件，即根據樁承式路堤的實際情況，約束路堤和加筋褥墊層水平位移，結構頂面為自由面；所述步驟（6）中結構的荷載為路堤和褥墊層的自重，施加方式為gravity加載。...

【技術特征摘要】
1.一種樁承式加筋路堤的有限元建模分析方法，其特征在于包括以下步驟: (1)將樁承式加筋路堤簡化為由路堤、加筋墊層、樁和軟土組成的簡化結構； (2)提取結構的的幾何參數，應用有限元軟件ABAQUS建立路堤和加筋墊層有限元模型； (3)對路堤和加筋墊層賦予材料屬性和單元屬性，并劃分網格； (4)將樁和軟土簡化為剛度不同的彈簧，在interaction模塊中選擇彈簧單元，并分別賦予不同的彈簧剛度； (5)設置結構的邊界條件； (6)施加結構荷載； 所述步驟(I)具體為:根據樁承式加筋路堤設計施工的CAD圖紙，忽略對結構計算影響較小的構件，把樁承式加筋路堤結構簡化為由路堤、加筋褥墊層、樁和軟土構成的簡化結構，并提取這些結構的幾何參數； 所述步驟(2)具體為:根據已提取的路堤、加筋褥墊層的厚度、長度、樁的坐標等幾何參數建立包含有路堤和加筋褥墊層的有限...

【專利技術屬性】
技術研發人員：莊妍，王康宇，顧浩，崔曉艷，陸亞明，
申請(專利權)人：河海大學，
類型：發明
國別省市：