CN108629089B - 一种基于连续-离散单元耦合的强夯加固地基模拟方法 - Google Patents

一种基于连续-离散单元耦合的强夯加固地基模拟方法 Download PDF

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Abstract

一种基于三维连续‑离散单元耦合的强夯加固地基模拟方法，主要包括步骤如下：(a)利用反分析方法，建立散体颗粒三轴试验模型，对颗粒细观力学参数进行校正；(b)对散体强夯试验进行模拟，以验证细观力学参数；(c)建立强夯加固地基连续体模型，包括地基和夯锤两部分；(d)根据连续‑离散耦合方法，利用连续域表面(face)生成离散域界面(wall)；(e)生成离散域颗粒模型，完成强夯加固地基模拟离散‑连续耦合。本发明基于连续‑离散耦合方法和动力学分析，可适用于不同形状夯锤‑不同类型地基土动力相互作用的量化分析。

Description

一种基于连续-离散单元耦合的强夯加固地基模拟方法
技术领域
本发明涉及岩土力学研究领域，特别涉及软土地基、煤矸石地基等不良场地处理的理论与实践三维模拟方法。
背景技术
当前，国内外学者利用室内试验及现场测试方法，对不同类型的地基土，如黄土、软土、砂土或碎石土地基强夯加固机理进行了研究。根据介质的连续性分类，可将研究方法分为基于连续介质力学的研究和基于离散介质力学的研究。根据物理本质，离散介质适用于离散介质力学的原理及方法；夯锤及大范围的地基土体适用于连续介质力学的原理和方法。因此，散体地基强夯作用过程，与一般的土-结构作用过程相似，适用于连续-离散介质耦合的研究方法，如有限元-离散元耦合方法。
常规的测试方法和测试精度限制是岩土工程试验精细化、精准化所面临的主要问题；利用多尺度方法和离散元计算，可以突破这一限制，在宏观参数与试验结果相同或相近的情况下，获取到细观物理力学参数信息，从而有望将当前夯击机理的定性描述进行定量化分析，并修正已有的认识。
关于夯击机理研究方面，国内外研究人员利用各种模拟方法进行了分析。如利用有限单元法软件Plaxis研究了碎石地基高能强夯下的变形；如利用离散单元法软件PFC研究了碎石土高填方地基在强夯作用下的横观各向同性性质；如利用PFC软件研究了砂土地基强夯作用下的动力响应，并在二维离散域内模拟砂土 -夯锤相互作用过程。基于连续介质理论的方法不能量化分析夯击过程中岩土散体介质的运动学和动力学特性；基于离散介质理论的模拟方法能够较好地反应散体颗粒的材料性能，无法准确描述复杂形态夯锤的受力特征及其惯性作用。由于研究方法的局限性，当前对土体夯击机理的认识尚处于定性描述和假说阶段，对夯锤-散体(尤其是凹底夯锤-散体)相互作用的认识基本处于空白。这些问题，同时也是柱锤夯扩或弹体侵彻散体介质所面临的主要问题。基于连续-离散介质耦合方法研究夯击作用问题，将能从物理本质上解决上述问题；此外，若从细观尺度研究散体介质的动态反应，将有望获得宏观力学行为机理性的认识。
发明内容
本发明的目的是针对现有研究的不足，提供了一种基于三维连续-离散单元耦合的强夯加固地基模拟方法，旨在能够准确描述复杂形态夯锤作用下，地基土动力相互作用的量化分析。
本发明的目的是这样实现的：一种基于三维连续-离散单元耦合的强夯加固地基模拟方法，包括以下步骤：
(1)利用反分析方法，建立散体颗粒三轴试验模型，对颗粒细观力学参数进行校正；
(2)对散体强夯试验进行模拟，以验证细观力学参数；
(3)建立强夯加固地基连续体模型，包括地基连续模型和夯锤模型两部分；
(4)根据连续-离散耦合方法，利用连续域表面(face)生成离散域界面 (wall)；
(5)生成离散域颗粒模型，完成强夯加固地基模拟离散-连续耦合；
(6)在地基内部不同部位布置加速度、土压力及孔隙率监测点。
所述的步骤(1)中，散体颗粒粒径及级配分布根据筛分试验确定，三轴试验围压由强夯引起的土体应力最大值确定，细观力学参数值由宏观力学参数值进行反分析获得；所述的步骤(2)中，根据三轴试验模拟所获取的细观力学参数，对强夯试验进行模拟，模拟结果(主要为动土压力)需与室内试验结果匹配，以验证所获取的细观力学参数值；
所述的步骤(3)中，连续域内地基模型和夯锤模型的几何形态和力学参数可根据常规试验获取，连续体模型(含地基连续模型和夯锤模型)一般可采用有限元建模的方式生成；
所述的步骤(4)中，耦合域为散体-连续体的界面，包括地基-散体耦合以及散体-夯锤耦合两部分，由连续体表面生成；
所述的步骤(5)中，可通过夯锤模型变换，完成多次夯击模拟。在模型内部设置多个监测点，以测试夯锤及地基的动力响应特性；通过在夯锤及地基内部设置多个监测点，以测试夯击作用下地基土内部加速度、土应力及孔隙率的变化情况；
所述的步骤(6)中，通过在夯锤及地基内部设置多个监测点，以测试夯击作用下地基土内部加速度、土应力及孔隙率的变化情况。
有益效果：本发明基于连续-离散耦合方法和动力学分析，可解决当前不能准确反应夯锤形状(尤其是凹形、凸形等异形夯锤)的离散元模拟缺陷，以及不能反应颗粒运移特性的有限元模拟缺陷，适用于不同形状夯锤-不同类型地基土动力相互作用的量化分析。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图；
图2为本发明的离散元细观力学参数校正三轴试验模拟模型图；
图3为本发明的离散元细观力学参数验证强夯模拟模型图；
图4为本发明的地基强夯模拟连续-离散耦合模型图(a为耦合模型，b为地基连续模型，c为离散域散体地基模型)；
图5为本发明的耦合模型动力响应参数监测布置图；
图6为本发明所监测到的连续体地基加速度响应图示。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。
本发明提供了一种基于三维连续-离散单元耦合的强夯加固地基模拟方法，其操作流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)根据筛分试验结果，确定散体颗粒级配分布，建立散体颗粒三轴试验模型，如图2所示的三轴试验模型高3m，半径1m，颗粒粒径0.2m。通过对模型施加不同的围压，在模型顶板和底板施加恒定的速率，同时利用伺服机制，监测顶板和底板的反作用力；利用莫尔-库伦理论对试验结果进行拟合，获得土样的宏观力学参数，即内摩擦角和内聚力。
(2)将数值模拟所获得的宏观力学参数与实验室土样测试所获得的力学参数进行比较，以室内试验结果为依据校正数值模型细观力学参数，最终使得校正后的数值模型宏观力学参数与室内试验力学参数相同。
(3)建立散体强夯试验模型，对散体室内强夯试验进行模拟，同时监测散体内部动土压力，并利用强夯试验结果对数值模拟结果进行验证，如图3(a) 所示的强夯试验模型半透视图，其模型箱为外径0.510m，内径0.410m，内部深度1.0m的圆筒，由2384个8节点线性brick单元(C3D8)组成；夯锤为高0.232m，直径0.22m的底面外凸圆柱体，由3000个C3D8单元组成。将夯击能为200N·m (25kg的夯锤落距0.8m)的第一击时，深度20cm处散体地基竖向土动应力曲线试验值和模拟值进行比较发现，二者竖向土动应力幅值相当(均约279kPa)，土动应力时程曲线形态相似，见图3(b)。同时，数值计算夯沉量与试验结果相当。由此可得，经过校正后的连续-离散耦合数值模型能够对地基强夯中夯锤- 填料相互作用过程进行合理预测。
(4)利用有限元软件建立地基连续模型和夯锤模型，如图4所示。连续地基模型为80m×80m×30m的块体，中间为半径5m，高10m的空心圆柱，由21475 个C3D8单元组成；夯锤为直径2.2m、高2.2m的圆柱，由960个C3D8单元组成。由空心圆柱表面生成连续-离散域耦合界面，即离散元计算的桶形Wall。随后，创建离散域散体地基模型，本实例由115883个球形颗粒组成。再由夯锤表面生成夯锤-颗粒接触连续-离散域耦合界面。同时，在地基底面设置吸收边界，在地基四周设置自由场边界条件，以吸收夯击在地基内部引起的冲击波能量。
(5)在连续-离散耦合模型内部设置监测点，如图5所示。在散体域内部设置测量球m1-m5，以监测散体内部动土压力、孔隙率、配位数的变化情况；在连续域表面设置加速度、速度、位移和水平动土压力监测点A1-A7；在连续域中心设置竖向动土压力监测点S1-S6。
(6)利用连续-离散耦合模型对强夯作用下夯锤-土体相互作用进行分析，可预测夯锤的动力响应及地基不同部位的动力反应。图6所示为本实例所监测到的夯击在地基中A1点产生的加速度波形图，可见2000KN·m的夯击在地基内部引发了峰值加速度超过0.3g的冲击波。

Claims (1)

1.一种基于三维连续-离散单元耦合的强夯加固地基模拟方法，特征在于，包括以下步骤：
（1）利用反分析方法，建立散体颗粒三轴试验模型，对颗粒细观力学参数进行校正：散体颗粒粒径及级配分布根据筛分试验确定，三轴试验围压由强夯引起的土体应力最大值确定，细观力学参数值由宏观力学参数值进行反分析获得；
（2）建立散体强夯试验模型，对散体室内强夯试验进行模拟，以验证细观力学参数：根据三轴试验模拟所获取的细观力学参数，对散体室内强夯试验进行模拟，主要为动土压力的模拟结果需与室内试验结果匹配，以验证所获取的细观力学参数值；
（3）建立强夯加固地基连续体模型，包括地基连续模型和夯锤模型两部分；地基连续模型和夯锤模型的几何形态和力学参数根据常规试验获取，地基连续模型和夯锤模型采用有限元建模的方式生成；
（4）根据连续-离散耦合方法，利用连续域表面face生成离散域界面wall；耦合域为散体-连续体的界面，包括地基-散体耦合以及散体-夯锤耦合两部分，由连续体表面生成；
（5）生成离散域颗粒模型，完成强夯加固地基模拟离散-连续耦合；通过夯锤模型变换，完成多次夯击模拟；前一次夯击完成后删除夯锤，并在后一次夯击进行前重新生成夯锤模型，以进行同一地基土位置多次反复夯击模拟；
（6）在模型内部设置多个监测点，以测试夯锤及地基的动力响应特性；
步骤（1）中散体颗粒三轴试验模型高3m，半径1m，颗粒粒径0.2m；所述颗粒细观力学参数校正方法具体为：通过对模型施加不同的围压，在模型顶板和底板施加恒定的速率，同时利用伺服机制，监测顶板和底板的反作用力；利用莫尔-库伦理论对试验结果进行拟合，获得土样的宏观力学参数，即内摩擦角和内聚力；
将模拟所获得的宏观力学参数与土样试验所获得的力学参数进行比较，并校正细观力学参数，使得模拟宏观力学参数与试验宏观力学参数相同；
所述步骤（2）中的散体强夯试验模型为外径0.510m，内径0.410m，内部深度1.0m的圆筒，由2384个8节点线性brick C3D8单元组成；夯锤为高0.232m，直径0.22m的底面外凸圆柱体，由3000个C3D8单元组成；所述步骤（2）中验证细观力学参数的方法具体为：将夯击能为200 N•m即25kg的夯锤落距0.8 m的第一击时，深度20cm处散体地基竖向土动应力曲线试验值和模拟值进行比较发现，二者竖向土动应力幅值相当，均约为279kPa，土动应力时程曲线形态相似；同时，数值计算夯沉量与试验结果相近；
所述步骤（3）中地基连续模型为80 m×80 m×30 m的块体，中间为半径5m，高10m的空心圆柱，由21475个C3D8单元组成；夯锤模型为直径2.2m、高2.2m的圆柱，由960个C3D8单元组成；所述强夯加固地基连续体模型具体生成方法为：由该空心圆柱表面生成连续-离散域耦合界面，即离散元计算的桶形界面；随后，创建离散域散体地基模型，由115883个球形颗粒组成，再由夯锤表面生成夯锤-颗粒接触连续-离散域耦合界面，同时，在地基底面设置吸收边界，在地基四周设置自由场边界条件，以吸收夯击在地基内部引起的冲击波能量；
还需对所述步骤（4）中散体域和连续域进行监测：在散体域内部设置测量球m1-m5，以监测散体内部动土压力、孔隙率、配位数的变化情况；在连续域表面设置加速度、速度、位移和水平动土压力监测点A1-A7；在连续域中心设置竖向动土压力监测点S1-S6；
所述步骤（5）在进行夯击模拟时还应对强夯作用下夯锤-土体相互作用进行分析，预测夯锤的动力响应及地基不同部位的动力反应；
所述的步骤（6）中，通过在夯锤及地基内部设置多个监测点，以测试夯击作用下地基土内部加速度、土应力及孔隙率的变化情况。
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