CN110991114A - 一种基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法，在有限元分析系统中建立模型进行模拟测试，包括以下步骤：建立未铺设土工格栅的模型和铺设有土工格栅的模型并对两个模型进行计算分析比较，铺设有土工格栅的模型中台后填土中铺设有多层土工格栅铺；依据不同影响因素调整铺设有土工格栅的模型，选择单一的影响因素，保持该影响因素呈线性变化，且保持其他影响因素不变的情况下，测试记录以下待测参数：台后路堤的沉降量和铺设费用；根据记录的数据绘制台后路堤的沉降量和铺设费用与各单一影响因素的关系图。能够预先确定出经济高效的路桥相接段土工格栅的加铺方式，为设计、施工提供精细化指导，降低施工成本，提高施工效率。

Description

一种基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法。

背景技术

道路与桥涵端部接连处的过渡段由于桥涵与道路两者之间的强度、刚度、沉降变形等均相差很大，常引起过渡段的不平顺。过渡段的不平顺会导致车辆通行时发生桥头跳车现象。

桥头跳车现象严重影响了公路的使用功能，对行车的安全性、舒适性及道路车辆的经济性带来了巨大的危害，其产生的危害主要表现为：对行车的舒适度和安全性造成影响；对车辆造成伤害，增加运营成本和维修保养费用；对公路造成损害，缩短公路的使用年限，增加维修和养护费用。

常见的桥头跳车防治方式有设置搭板、地基处理、轻质回填、土工格栅、柔性桥台等。土工格栅对回填土进行加筋处理，能增强填土整体性，起到柔性搭板的作用，有效降低路桥过渡段差异性沉降。本发明通过有限元方法分析计算，得出最佳的土工格栅铺设层数和铺设间距，由此确定经济高效的路桥相接段土工格栅的加铺方式，为设计、施工提供精细化指导。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法，能够预先确定出经济高效的路桥相接段土工格栅的加铺方式，为设计、施工提供精细化指导，降低施工成本，提高施工效率。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法，在有限元分析系统中建立模型进行模拟测试，模型包括桥台、土工格栅和台背路基，桥台与台背路基之间设有台后路堤，台后路堤下方设有台后填土，包括以下步骤：

1)建立未铺设土工格栅的模型和铺设有土工格栅的模型并对两个模型进行计算分析比较，铺设有土工格栅的模型中台后填土中铺设有多层土工格栅；

2)依据不同影响因素调整铺设有土工格栅的模型，选择单一的影响因素，若该影响因素具有变化的可能性则保持该影响因素呈线性变化，且保持其他影响因素不变的情况下，测试记录以下待测参数：台后路堤的沉降量和铺设费用；

影响因素包括：土工格栅是否与桥台耦合、土工格栅铺设间距、土工格栅铺设层数和土工格栅的处理深度；

3)根据记录的数据绘制台后路堤的沉降量和铺设费用与各单一影响因素的关系图。

按照上述技术方案，在所述的步骤3)之后，还包括以下步骤：

S1在影响因素中土工格栅与桥台耦合情况下，选择其余影响因素中2-3种影响因素，列出不同影响因素的变换组合，在2-3种影响因素同时变化的情况下测量记录以下待测参数；

在影响因素中土工格栅不与桥台耦合情况下，选择其余影响因素中2-3种影响因素，列出不同影响因素的变换组合，在2-3种影响因素同时变化的情况下测量记录以下待测参数；

待测参数为台后路堤的沉降量和铺设费用；

2-3种影响因素的变化组合，2-3种影响因素同时变化分为以下几种情况：

a变换组合的影响因素均按照同方向规律线性变化；

b变换组合的影响因素按照不同的方向规律变化；

当选择两种影响因素的变换组合时，两种影响因素分别按照正向和反向规律线性变化；

当选择三种影响因素X、Y、Z的变换组合时：Ⅰ)选择X、Y两种影响因素按照正向规律线性变化，选择Z种影响因素按照反向规律线性变化；Ⅱ)选择X、Y两种影响因素按照反向规律线性变化，选择Z种影响因素按照正向规律线性变化；

S2根据记录的数据绘制台后路堤的沉降量和铺设费用与多种影响因素的关系图。

按照上述技术方案，最后还包括以下步骤：根据绘制的关系图，确定土工格栅的铺设结构。

按照上述技术方案，土工格栅与桥台耦合是指土工格栅的一端与桥台之间形成连接结构。

按照上述技术方案，连接结构包括角钢和扁钢压板，角钢固设于桥台一侧，扁钢压板设置于角钢上，扁钢压板和角钢从上下两侧对土工格栅的一端形成夹紧固定。

按照上述技术方案，扁钢压板通过固定螺栓与角钢固定连接。

按照上述技术方案，角钢通过膨胀螺栓固设于桥台上。

按照上述技术方案，土工格栅的另一端通过锚钉与台背路基连接。

本发明具有以下有益效果：

通过有限元方法调整分析多种影响因素，并计算得出最佳的土工格栅铺设层数和铺设间距，由此能够预先确定出经济高效的路桥相接段土工格栅的加铺方式，为设计、施工提供精细化指导，降低施工成本，提高施工效率。

附图说明

图1是本发明实施例中桥台与台背路基的连接结构示意图；

图2是本发明实施例中土工格栅与桥台连接的结构示意图；

图3是本发明实施例中土工格栅铺设的结构示意图；

图中，1-桥台，2-台阶，3-土工格栅，4-锚钉，5-膨胀螺栓，6-角钢，7-扁钢压板，8-固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图3所示，本发明提供的一个实施例中的一种基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法，在有限元分析系统中建立模型进行模拟测试，模型包括桥台1、土工格栅3和台背路基，桥台1与台背路基之间设有台后路堤，台后路堤下方设有台后填土，包括以下步骤：

1)建立未铺设土工格栅3的模型和铺设有土工格栅3的模型并对两个模型进行计算分析比较，铺设有土工格栅3的模型中台后填土中铺设有多层土工格栅3；铺设有土工格栅3的模型沉降变化更加均匀，较未铺设土工格栅3的模型的沉降量低；

2)依据不同影响因素调整铺设有土工格栅3的模型，选择单一的影响因素，若该影响因素具有变化的可能性则保持该影响因素呈线性变化，且保持其他影响因素不变的情况下，测试记录以下待测参数：台后路堤的沉降量和铺设费用；

影响因素包括：土工格栅3是否与桥台1耦合、土工格栅3铺设间距、土工格栅3铺设层数和土工格栅3的处理深度；

3)根据记录的数据绘制台后路堤的沉降量和铺设费用与各单一影响因素的关系曲线图。

进一步地，在所述的步骤3)之后，还包括以下步骤：

S1在影响因素中土工格栅3与桥台1耦合情况下，选择其余影响因素中2-3种影响因素，列出不同影响因素的变换组合，在2-3种影响因素同时变化的情况下测量记录以下待测参数；

在影响因素中土工格栅3不与桥台1耦合情况下，选择其余影响因素中2-3种影响因素，列出不同影响因素的变换组合，在2-3种影响因素同时变化的情况下测量记录以下待测参数；

待测参数为台后路堤的沉降量和铺设费用；

2-3种影响因素的变化组合，2-3种影响因素同时变化分为以下几种情况：

a变换组合的影响因素均按照同方向规律线性变化；

b变换组合的影响因素按照不同的方向规律变化；

当选择两种影响因素的变换组合时，两种影响因素分别按照正向和反向规律线性变化；

当选择三种影响因素X、Y、Z的变换组合时：Ⅰ)选择X、Y两种影响因素按照正向规律线性变化，选择Z种影响因素按照反向规律线性变化；Ⅱ)选择X、Y两种影响因素按照反向规律线性变化，选择Z种影响因素按照正向规律线性变化；

S2根据记录的数据绘制台后路堤的沉降量和铺设费用与多种影响因素的关系曲面图。

进一步地，最后还包括以下步骤：根据绘制的关系曲线图或曲面图，确定土工格栅3的铺设结构。

进一步地，土工格栅3与桥台1耦合是指土工格栅3与桥台1之间形成连接结构。

进一步地，土工格栅3处理深度是指台后路堤与土工格栅3最下层的距离，因为土工格栅3最上层与台后路堤的距离一般是不变或变化不大。

进一步地，连接结构包括角钢6和扁钢压板7，角钢6通过膨胀螺栓5固设于桥台1一侧，扁钢压板7设置于角钢6上，扁钢压板7和角钢6从上下两侧对土工格栅3的一端形成夹紧固定。

进一步地，扁钢压板7通过固定螺栓与角钢6固定连接。

进一步地，土工格栅3的另一端通过锚钉与台背路基连接。

进一步地，土工格栅3处理深度是指台后路堤与土工格栅3最下层的距离，因为土工格栅3最上层与台后路堤的距离一般是不变或变化不大。

本发明的工作原理：

有限元分析模型的建立。主要从以下五个方面建模来分析土工格栅3对台背填土沉降的影响：铺设土工格栅3对台后填土沉降的影响、土工格栅3与桥台1搭接形式(是否耦合)对路堤沉降的影响、土工格栅3不同铺设间距对沉降的影响、土工格栅3不同层数布置对沉降的影响、土工格栅3处理深度一定时，土工格栅3不同铺设间距对台后填土沉降的影响。通过对不同模型得到的沉降数据进行分析得到各模型对桥头跳车现象的影响，进而确定出台背填土中三向土工格栅3经济高效的加铺方式。

按上述有限元分析确定的最经济高效的加铺方式对台背填土进行加筋处理。

台背路基(远离台背一侧)开挖成台阶状，土工格栅远离台背一侧通过锚钉固定在台阶上，另一侧与桥台1锚固。

下面结合实例对本发明进一步说明：

本实施例选用台背高度为10m进行建模计算分析。相关参数为：路面结构层0.7米，搭板厚0.3米，路堤填土高度9.3米(每层填土厚为1米)，台前地基长度为20米，台后地基长度为39.5米，地基计算深度21米。

有限元模型具体实施方案

表1有限元模型具体实施方案

通过对模型的计算分析可知，铺设土工格栅后，沉降变化更加均匀，沉降量降低约13％(距桥台15米处)。由此可知，土工格栅可以降低台后路堤沉降，使台后路堤土沉降均匀变化，减少差异沉降现象的发生，从而降低桥头跳车现象的发生概率；

未铺设土工格栅时，台后填土与桥台存在明显的分离现象；铺设土工格栅后，台后填土与桥台间的分离现象几乎不存在，相比于未铺设土工格栅，其台背填土与桥台的分离值减少了约85.1％。因此，将土工格栅和桥台锚固起来，可以有效消除台背与台后回填料分离现象的产生；

土工格栅铺设间距分别为30cm、50cm、70cm时，沉降量分别降低11.6％、13.0％、14.0％，可以看出随着土工格栅处理深度的增加，沉降量会越来越小，但沉降减小的幅度也越来越小，同时铺设费用越来越高。因此，合理选择土工格栅的铺设层数，可以在保证效果的基础上，减少造价。

当土工格栅处理深度一定时，土工格栅的铺设间距对沉降没有明显的影响，此时土工格栅的处理深度对台后填土的影响更大。当土工格栅处理深度足够时，推荐使用较大的铺设间距，

针对本模型，经有限元分析，推荐土工格栅铺设间距采用80cm，采用该铺设方式既可保证加筋效果又能减少造价。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法，其特征在于，在有限元分析系统中建立模型进行模拟测试，模型包括桥台、土工格栅和台背路基，桥台与台背路基之间设有台后路堤，台后路堤下方设有台后填土，包括以下步骤：

1)建立未铺设土工格栅的模型和铺设有土工格栅的模型并对两个模型进行计算分析比较，铺设有土工格栅的模型中台后填土中铺设有多层土工格栅；

2)依据不同影响因素调整铺设有土工格栅的模型，选择单一的影响因素，若该影响因素具有变化的可能性则保持该影响因素呈线性变化，且保持其他影响因素不变的情况下，测试记录以下待测参数：台后路堤的沉降量和铺设费用；

影响因素包括：土工格栅是否与桥台耦合、土工格栅铺设间距、土工格栅铺设层数和土工格栅的处理深度；

3)根据记录的数据绘制台后路堤的沉降量和铺设费用与各单一影响因素的关系图。

2.根据权利要求1所述的基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法，其特征在于，在所述的步骤3)之后，还包括以下步骤：

S1在影响因素中土工格栅与桥台耦合情况下，选择其余影响因素中2-3种影响因素，列出不同影响因素的变换组合，在2-3种影响因素同时变化的情况下测量记录以下待测参数；

在影响因素中土工格栅不与桥台耦合情况下，选择其余影响因素中2-3种影响因素，列出不同影响因素的变换组合，在2-3种影响因素同时变化的情况下测量记录以下待测参数；

待测参数为台后路堤的沉降量和铺设费用；

2-3种影响因素的变化组合，2-3种影响因素同时变化分为以下几种情况：

a变换组合的影响因素均按照同方向规律线性变化；

b变换组合的影响因素按照不同的方向规律变化；

当选择两种影响因素的变换组合时，两种影响因素分别按照正向和反向规律线性变化；

当选择三种影响因素X、Y、Z的变换组合时：Ⅰ)选择X、Y两种影响因素按照正向规律线性变化，选择Z种影响因素按照反向规律线性变化；Ⅱ)选择X、Y两种影响因素按照反向规律线性变化，选择Z种影响因素按照正向规律线性变化；

S2根据记录的数据绘制台后路堤的沉降量和铺设费用与多种影响因素的关系图。

3.根据权利要求1或2所述的基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法，其特征在于，最后还包括以下步骤：根据绘制的关系图，确定土工格栅的铺设结构。

4.根据权利要求1所述的基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法，其特征在于，土工格栅与桥台耦合是指土工格栅的一端与桥台之间形成连接结构。

5.根据权利要求4所述的基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法，其特征在于，连接结构包括角钢和扁钢压板，角钢固设于桥台一侧，扁钢压板设置于角钢上，扁钢压板和角钢从上下两侧对土工格栅的一端形成夹紧固定。

6.根据权利要求5所述的基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法，其特征在于，扁钢压板通过固定螺栓与角钢固定连接。

7.根据权利要求5所述的基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法，其特征在于，角钢通过膨胀螺栓固设于桥台上。

8.根据权利要求1所述的基于有限元分析确定台背填土中土工格栅铺设的方法，其特征在于，土工格栅的另一端通过锚钉与台背路基连接。

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