一种桩承式路堤离心模型试验的有限元模拟方法技术

一种桩承式路堤离心模型试验的有限元模拟方法，具体试验步骤如下：(1)设置等同模型静压固结的初始应力状态；(2)1g下插桩；(3)路堤模型制作；(4)模拟离心机逐级加速过程；(5)预压固结模拟：(6)离心机停机卸载阶段；(7)上述各步骤中，桩承式路堤各部分有限元建模材料参数均使用模型试验材料的属性。本发明专利技术能够模拟桩承式路堤离心模型试验初始应力状态、应力历史、以及离心试验的离心力加、卸载过程，能够真实反映桩承式加筋路堤离心模型试验模型尺度特点的有限元模拟方法。特点的有限元模拟方法。特点的有限元模拟方法。

【技术实现步骤摘要】
一种桩承式路堤离心模型试验的有限元模拟方法


[0001]本专利技术属于岩土工程
，特别是涉及一种桩承式路堤离心模型试验的有限元模拟方法。

技术介绍

[0002]桩承式路堤具有承载力高、工后沉降小等优点，在沿海、沿江深厚软基处理工程中应用广泛。土工离心模型可以借助离心机的高速旋转可以在模型中创造一个与原型的应力水平相同的应力场，从而在模型中再现原型性状，即使用N倍的重力加速度可以在原型1/N尺度的模型上模拟现场尺度的应力场和变形场。因此，离心模型试验是研究桩承式加筋路堤整体工作机制的有力工具，并初步用于研究应力分布、荷载传递、桩土相互作用、变形特性和方案比选等。考虑到复合地基桩土相互作用的复杂性及试验条件的不完备性，目前桩承式路堤离心模型试验报道均会选择性地忽略一些所谓
″
次要因素
″
，或针对主要研究问题进行相似等效，对模型均进行了不同程度的简化，包括：1g(常重力场，1个重力加速度)下静压固结地基模型、1g下插桩制模、使用逐步提高离心加速度的方法模拟路堤堆载等。因此，如何量化评价桩承式路堤离心模型试验在几何、力学及实施过程中与原型的相似程度十分重要。桩承式加筋路堤离心模型试验影响因素众多、受力与变形机理复杂，探讨能够反映离心模型试验全过程及应力状态的有限元数值模拟方法具有重要意义，进而可以验证试验流程及结果的合理性，分析试验过程中变形及应力测试的特点及规律，并弥补试验测试的局限性。
[0003]有限元数值模拟具有高效低耗的优点，是模拟桩承式路堤现场及模型试验的有力工具。目前，离心模型试验的数值模拟都是将模型还原为1g条件下对应的原型，未见有能够真实反映桩承式加筋路堤离心模型试验模型尺度特点的有限元模拟方法。为此，本专利技术旨在提出一种基于模型尺度的桩承式路堤离心模型试验的有限元模拟方法。

技术实现思路

[0004]针以上问题，本专利技术提供一种桩承式路堤离心模型试验的有限元模拟方法，能够模拟桩承式路堤离心模型试验初始应力状态、应力历史、以及离心试验的离心力加、卸载过程，能够真实反映桩承式加筋路堤离心模型试验模型尺度特点的有限元模拟方法。
[0005]本专利技术提供一种桩承式路堤离心模型试验的有限元模拟方法，具体试验步骤如下：
[0006](1)设置等同模型静压固结的初始应力状态；
[0007]在地应力平衡分析步中建立与1g下离心模型相同的静压固结初始应力，使得模型在相似比尺下与原型应具有相同的平均有效竖向应力，使地基等效固结度为1.0；
[0008]按照模型地基中的静压分层，假设第i层土的静压固结应力为Pi，模型横截面积为A，进行有限元模拟操作；
[0009]有限元模拟操作步骤为：
[0010]建立与模型地基尺寸相同的地基模型，在有限元地应力平衡步模拟模型地基的最终静压固结完成状态，通过点面耦合法在第i层表面施加等效的集中力F
i
＝P
i
×
A，实现在第i层模型土的上表面施加初始地应力P
i
，地应力平衡结束后即赋予模型静压固结的初始地应力；
[0011](2)1g情况下插桩，其中1g标示常重力场，1个重力加速度；
[0012]有限元模拟操作步骤为：
[0013]将静压荷载F
i
调整为零，同时将模型上表面孔压边界设置为零，允许模型地基卸载回弹。通过生死单元法将群桩桩孔位置的土移除，并导入群桩部件建立桩土接触；
[0014](3)路堤模型制作，该步骤模拟1g下路堤填筑；
[0015]有限元模拟操作步骤为：
[0016]通过生死单元法，添加路堤部件，路堤部分的体力乘以1个重力加速度，施加1g重力；
[0017](4)模拟离心机逐级加速过程；
[0018]有限元模拟操作步骤为：
[0019]在有限元中设置与试验相同的重力加速度变化的幅值曲线函数G(t)，模型各部分的体力均乘以G(t)，使模型整体处于为G(t)g的逐级增加的离心力场中，保持模型地基的上表面孔压为零，允许复合地基在路堤堆载过程中排水固结；
[0020](5)预压固结模拟；
[0021]假设离心试验模拟现场预压固结总时长为T
T
，桩承式路堤荷载施工完毕后，下部地基在附加应力作用改下长时间排水固结，该阶段，离心模型试验中需长时间将离心加速度维持在Ng，该阶段离心机运行时长为t
c
，有限元模型模拟步骤为：
[0022]保持步骤(4)中的幅值曲线函数G(t)＝N，并保持模型地基的上表面孔压为零，持续固结时间同离心模型试验在Ng下的运行时间t
c
，且需要满足T
T
＝N2×
t
c
。
[0023](6)离心机停机卸载阶段；
[0024]离心模型主体试验结束时，需要将离心机停机卸载高重力场，使离心重力场由Ng降低为1g，假设离心机停机过程离心加速度的变化过程为D(t)g，有限元模拟操作步骤为：
[0025]使用第(4)步的幅值曲线法，将幅值曲线函数D(t)作用于模型各部分体力，保持模型地基的上表面孔压为零，模型在卸载过程中回弹；
[0026](7)上述各步骤中，桩承式路堤各部分有限元建模材料参数均使用模型试验材料的属性。
[0027]进一步的，步骤(2)中模型试验中，土样静压结束需要移除静压荷载，并在1g下制作复合地基。
[0028]进一步的，步骤(4)中在1g下模型制作完毕后，需要将模型放置在离心机设备中，通过逐级提高离心加速度来模拟路堤堆载过程及地基固结排水过程，模型试验中最终需要达到的离心加速度为Ng，离心机提速阶段持续时间为t1，对应现场条件下的堆载工期为T。
[0029]进一步的，步骤(4)中幅值曲线函数G(t)为递增函数，且需要满足∫G2(t)dt＝T，G(t1)＝N。
[0030]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0031]本专利技术的有益效果在于：直接建立与离心模型试验相对应的模型，有限元模型中
各部件尺寸均为模型尺度，材料参数为模型材料参数，充分考虑试验流程的相似性，模拟离心模型地基静压固结及模型制作的初始应力状态、应力历史，并模拟离心机加、卸载过程。可用于模拟并定量分析验证桩承式路堤离心模型试验规律。
附图说明
[0032]图1为本专利技术的有限元模拟流程图；
[0033]图2为本专利技术的有限元模拟初始地应力等效示意图；
[0034]图3为本专利技术的有限元几何模型示意图；
[0035]图4为本专利技术的有限元模拟的桩承式路堤主要部分拆分示意图；
[0036]图5为本专利技术的有限元模拟离心加速度幅值曲线示意图；
[0037]图6为模型尺度与原型尺度有限元数值模型沉降验证；
[0038]图7为模型尺度与原型尺度有限元数值模型应力分布验证；
[0039]附图标记：1、模型地基；2、模型桩；3、模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种桩承式路堤离心模型试验的有限元模拟方法，其特征在于，具体试验步骤如下：(1)设置等同模型静压固结的初始应力状态；在地应力平衡分析步中建立与1g下离心模型相同的静压固结初始应力，使得模型在相似比尺下与原型应具有相同的平均有效竖向应力，使地基等效固结度为1.0；按照模型地基中的静压分层，假设第i层土的静压固结应力为P
i
，模型横截面积为A，进行有限元模拟操作；有限元模拟操作步骤为：建立与模型地基尺寸相同的地基模型，在有限元地应力平衡步模拟模型地基的最终静压固结完成状态，通过点面耦合法在第i层表面施加等效的集中力F
i
＝P
i
×
A，实现在第i层模型土的上表面施加初始地应力P
i
，地应力平衡结束后即赋予模型静压固结的初始地应力；(2)1g情况下插桩，其中1g标示常重力场，1个重力加速度；有限元模拟操作步骤为：将静压荷载F
i
调整为零，同时将模型上表面孔压边界设置为零，允许模型地基卸载回弹，通过生死单元法将群桩桩孔位置的土移除，并导入群桩部件建立桩土接触；(3)路堤模型制作，该步骤模拟1g下路堤填筑；有限元模拟操作步骤为：通过生死单元法，添加路堤部件，路堤部分的体力乘以1个重力加速度，施加1g重力；(4)模拟离心机逐级加速过程；有限元模拟操作步骤为：在有限元中设置与试验相同的重力加速度变化的幅值曲线函数G(t)，模型各部分的体力均乘以G(t)，使模型整体处于为G(t)g的逐级增加的离心力场中，保持模型地基的上表面孔压为零，允许复合地基在路堤堆载过程中排水固结；(5)预压固结模拟；假设离心试验模拟现场预压固结总时长为T
T
...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜彦彬，王艳芳，刘聃，樊文虎，刘素梅，姜昊天，金辰华，薛涛，
申请(专利权)人：金陵科技学院，
类型：发明
国别省市：