CN111553013B - 一种模拟抗滑桩对桥梁墩台作用的简化数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟抗滑桩对桥梁墩台作用的简化数值模拟方法，只需建立局部三维数值模型，降低了数值模型的工作量；运用解耦的方法，将桥梁墩台‑土‑抗滑桩的复杂问题，简化为桥梁墩台‑土、抗滑桩变形两个问题分开处理；将抗滑桩的形变简化为边界处的水平位移场，可以直观获得桥梁墩台和抗滑桩变形的对应关系。

Description

一种模拟抗滑桩对桥梁墩台作用的简化数值模拟方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，特别是涉及一种模拟抗滑桩对桥梁墩台作用的简化数值模拟方法。
背景技术
我国西南地区山区地形陡峻，边(滑)坡等不良地质灾害分布广泛，交通线路桥隧比例往往高达80％以上。桥梁墩台为变形敏感结构，通常需要设置抗滑桩对其进行加固。抗滑桩加固设计的目标在于减小桥梁墩台周围土体的剪切变形，将桥梁墩台的变形控制在容许范围内。达到上述目的的关键在于控制抗滑桩的水平变形量。
由于解析方法难以考虑结构与土体之间的相互作用和协调变形问题，学者多借助数值模拟技术开展相关研究。但传统的数值模拟方法需要建立完整的三维地质模型，且单次计算只能获得一组桥梁墩台和抗滑桩水平变形的对应关系。针对桥梁墩台与抗滑桩的相互作用问题，复杂三维地质模型的建立、难以简单确定抗滑桩的变形控制要求等问题，给工程设计人员的实际操作带来诸多不便。同时，常用的有限元强度折减法，会放大整个系统的水平位移场，造成计算结果的失真。因此，亟需发展一种简单、可操作性强的数值模拟方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种模拟抗滑桩对桥梁墩台作用的简化数值模拟方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种模拟抗滑桩对桥梁墩台作用的简化数值模拟方法，包括：
建立局部三维数值模型，局部三维数值模型包括软土滑动层、基岩稳定层和桥梁墩台；
通过施加水平位移场模拟抗滑桩形变引起的土体剪切变形，选择抗滑桩设计位置作为局部三维数值模型的水平位移场施加边界；
根据抗滑桩的变形模式拟合抗滑桩的变形函数；
确定水平位移场的施加速率，利用变形函数在局部三维数值模型边界逐步施加水平位移场；
局部三维数值模型求解过程中，获取施加的边界位移与桥梁墩台水平变形的关系。
采用本发明所述的一种模拟抗滑桩对桥梁墩台作用的简化数值模拟方法，只需建立局部三维数值模型，降低了数值模型的工作量；运用解耦的方法，将桥梁墩台-土-抗滑桩的复杂问题，简化为桥梁墩台-土、抗滑桩变形两个问题分开处理；将抗滑桩的形变简化为边界处的水平位移场，可以直观获得桥梁墩台和抗滑桩变形的对应关系。
优选地，在建立局部三维数值模型前，建立与其对应的局部三维地质模型。
进一步优选地，局部三维地质模型宽度为桥梁墩台宽度5倍以上，桥梁墩台位于局部三维地质模型宽度方向的中轴线上。
优选地，桥梁墩台与抗滑桩之间的净距即为桥梁墩台至施加边界的距离，水平位移场施加于滑动层，稳定层的水平位移为零。
优选地，对于抗滑桩的变形模式，若抗滑桩为刚性桩，对应的变形函数为一次函数，若抗滑桩为弹性桩，对应的变形函数为多项式。
优选地，施加边界处某一时刻的水平位移根据下式求得：
u＝v×N
其中，u为施加边界处的水平位移；v为水平位移场的加载速率；N为时步。
优选地，局部三维数值模型底部设置为固定边界、顶部设置为自由边界；抗滑桩设计位置所在滑动层边界设置为自由边界、抗滑桩设计位置所在稳定层设置为限制法向位移，其余各边界设置为限制法向位移。
优选地，确定桥梁墩台的水平变形允许值[L]。
进一步优选地，在获取施加的边界位移与桥梁墩台水平变形的关系后，将桥梁墩台达到水平变形允许值[L]时，施加在边界的水平位移场作为抗滑桩的变形曲线，指导后续抗滑桩的设计，控制抗滑桩的变形。
进一步优选地，通过控制抗滑桩的水平变形，使桥梁墩台的水平位移位于容许范围内。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明所述的一种模拟抗滑桩对桥梁墩台作用的简化数值模拟方法，只需建立局部三维数值模型，降低了数值模型的工作量；运用解耦的方法，将桥梁墩台-土-抗滑桩的复杂问题，简化为桥梁墩台-土、抗滑桩变形两个问题分开处理；将抗滑桩的形变简化为边界处的水平位移场，可以直观获得桥梁墩台和抗滑桩变形的对应关系。
附图说明
图1是实施例中临近路堤边坡的桥梁墩台示意图；
图2是实施例中局部三维地质模型示意图；
图3是实施例中水平位移场加载示意图；
图4是实施例中局部三维数值模型示意图；
图5是实施例中抗滑桩形变与桥梁墩台水平位移关系示意图(图5中横坐标为时步；纵坐标为桥梁墩台水平位移，单位：m)。
图标：1-滑动层，2-稳定层，3-桥梁墩台，4-抗滑桩。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
某桥梁墩台3基础临近路堤边坡，如图1所示，桥梁墩台3设置的土层包括软土滑动层1和基岩稳定层2，路堤边坡侧向变形会对桥梁墩台3造成影响，因而需在二者之间设置一排抗滑桩4。
采用本发明所述的一种模拟抗滑桩对桥梁墩台作用的简化数值模拟方法，来控制抗滑桩4的变形使桥梁墩台3的水平位移在容许范围内，该方法包括以下步骤：
步骤一、以桥梁墩台3为主要研究对象，建立局部三维地质模型，如图2所示，本实施例中，滑动层1的厚度为4m，桥梁墩台3宽度为6m，局部三维地质模型宽度为桥梁墩台3宽度5倍以上(即局部三维地质模型宽度至少应为30m)，以消除局部三维地质模型宽度不足造成的计算偏差，桥梁墩台3位于局部三维地质模型宽度方向的中轴线上，避免桥梁墩台3宽度方向两侧滑动层1不均匀造成计算偏差；
其中，桥梁墩台3宽度的方向和局部三维地质模型宽度的方向为图2和图3垂直于电脑屏幕方向。
步骤二、如图3所示，通过施加水平位移场模拟抗滑桩4形变引起的土体剪切变形，无需在局部三维地质模型中建立抗滑桩4结构；
选择抗滑桩4设计位置作为局部三维地质模型的水平位移场施加边界，如图2和3所示；
桥梁墩台3与抗滑桩4之间的净距即为桥梁墩台3至施加边界的距离，本实施例中为2m，土体的剪切变形主要发生在滑动层1，稳定层2土体的剪切变形基本为零。
步骤三、根据桥上交通线路的运营要求、桥梁工程的重要性及破坏后果确定桥梁墩台3的水平变形允许值[L]＝2mm。
步骤四、由于抗滑桩4的桩顶变形一般不超过u≤10cm，将本实施例中抗滑桩4视为刚性桩，从而使抗滑桩4的变形函数可取一次函数。
步骤五、为减小水平位移场施加速率对局部三维地质模型带来的震动，在满足一定计算精度和效率的前提下，应使水平位移场的加载速率尽可能小，本实施例取计算时步为N＝10000步，则抗滑桩4桩顶的加载速率为：
v＝u/N＝1e-5(米每时步)
由于滑动层1的厚度为4m，则沿高度z方向，该变形函数为x＝2.5e-6z，其中滑动层1的底部的高度坐标为0。
步骤六、建立局部三维地质模型相应的局部三维数值模型，如图4所示；
局部三维数值模型底部设置为固定边界、顶部设置为自由边界；抗滑桩4设计位置所在滑动层1边界设置为自由边界、抗滑桩4设计位置所在稳定层2设置为限制法向位移，其余各边界设置为限制法向位移；
首先使局部三维数值模型生成初始应力场，速度位移清零后在抗滑桩4设计位置所在滑动层1边界处施加水平位移场，计算过程中，施加的边界位移与桥梁墩台3水平变形的关系如图5所示。
步骤七、从图5中可以看出，桥梁墩台3达到水平变形允许值固＝2mm时，对应的计算时步为6500步，则相应的抗滑桩4桩顶水平位移为6.5cm；
若桥梁墩台3的水平位移在容许范围内，则在设计时必须将抗滑桩4桩顶的水平位移控制在6.5cm以内。
运用本发明所述的一种模拟抗滑桩对桥梁墩台作用的简化数值模拟方法，只需建立局部三维数值模型，降低了数值模型的工作量；运用解耦的方法，将桥梁墩台3-土-抗滑桩4的复杂问题，简化为桥梁墩台3-土、抗滑桩4变形两个问题分开处理；将抗滑桩4的形变简化为边界处的水平位移场，可以直观获得桥梁墩台3和抗滑桩4变形的对应关系，从而能够在桥梁墩台3达到水平变形允许值固时，获得抗滑桩4的变形曲线，或者通过控制抗滑桩4的水平变形，使桥梁墩台3的水平位移位于容许范围内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟抗滑桩对桥梁墩台作用的简化数值模拟方法，其特征在于，
建立局部三维数值模型，局部三维数值模型包括软土滑动层(1)、基岩稳定层(2)和桥梁墩台(3)；
通过施加水平位移场模拟抗滑桩(4)形变引起的土体剪切变形，选择抗滑桩(4)设计位置作为局部三维数值模型的水平位移场施加边界，桥梁墩台(3)与抗滑桩(4)之间的净距即为桥梁墩台(3)至施加边界的距离，水平位移场施加于滑动层(1)，稳定层(2)的水平位移为零；
根据抗滑桩(4)的变形模式拟合抗滑桩(4)的变形函数，对于抗滑桩(4)的变形模式，若抗滑桩(4)为刚性桩，对应的变形函数为一次函数，若抗滑桩(4)为弹性桩，对应的变形函数为多项式；
确定水平位移场的施加速率，利用变形函数在局部三维数值模型边界逐步施加水平位移场；
局部三维数值模型求解过程中，获取施加的边界位移与桥梁墩台(3)水平变形的关系。
2.根据权利要求1所述的简化数值模拟方法，其特征在于，在建立局部三维数值模型前，建立与其对应的局部三维地质模型。
3.根据权利要求2所述的简化数值模拟方法，其特征在于，局部三维地质模型宽度为桥梁墩台(3)宽度5倍以上，桥梁墩台(3)位于局部三维地质模型宽度方向的中轴线上。
4.根据权利要求1所述的简化数值模拟方法，其特征在于，施加边界处某一时刻的水平位移根据下式求得：
u＝v×N
其中，u为施加边界处的水平位移；v为水平位移场的加载速率；N为时步。
5.根据权利要求1所述的简化数值模拟方法，其特征在于，局部三维数值模型底部设置为固定边界、顶部设置为自由边界；抗滑桩(4)设计位置所在滑动层(1)边界设置为自由边界、抗滑桩(4)设计位置所在稳定层(2)设置为限制法向位移，其余各边界设置为限制法向位移。
6.根据权利要求1-5任一项所述的简化数值模拟方法，其特征在于，确定桥梁墩台(3)的水平变形允许值[L]。
7.根据权利要求6所述的简化数值模拟方法，其特征在于，在获取施加的边界位移与桥梁墩台(3)水平变形的关系后，将桥梁墩台(3)达到水平变形允许值[L]时，施加在边界的水平位移场作为抗滑桩(4)的变形曲线。
8.根据权利要求7所述的简化数值模拟方法，其特征在于，通过控制抗滑桩(4)的水平变形，使桥梁墩台(3)的水平位移位于容许范围内。
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