CN112685881A - 一种岩土工程物理—数值交互试验方法 - Google Patents

Abstract

一种岩土工程物理—数值交互试验方法，包括如下步骤：一，分析研究对象，选取交互界面，将研究对象分割为第一部分和第二部分；二，对第一部分建立物理模型，对第二部分建立数值模型；步骤三，通过物理模型采集第一部分中所需的数据，并施加到数值模型的对应点位；三，通过数值模型进行运算，读取模拟计算结果；四，将模拟计算结果平均化处理后，施加到物理模型中交互界面上的对应点位；五，反复执行三、四中的数据交互过程，如果数值模型计算达到设定的总运算步或时间步或物理模型被破坏，此时试验终止；如果数值模型计算未达到设定的总运算步或时间步或物理模型未被破坏，此时则重复步骤三、四。

Description

一种岩土工程物理—数值交互试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程模型试验技术领域，具体指一种岩土工程物理—数值交互试验方法。

背景技术

在岩土工程领域相关工程问题的模型试验研究上，目前主要的研究方法有：物理模型试验、数值模拟、现场试验等。以上研究方法均有各自的优点，但也存在不足，对于物理模型试验，制作大比例尺复杂物理模型的难度及成本较高，往往无法全面考虑各种工程效应和作用对试验模型的叠加影响；数值模拟对于实际工程的复杂工况，在边界条件与本构模型上进行了大量的简化，无法真实反映实际工程中复杂部分的工程问题，且对于复杂工况简化过后的参数选取存在较大困难；对于现场试验，地基固结等实地数据不易获得，且需要花费大量的时间和费用，更加适用于跟踪工程开展。以桩承式路堤为例，一般的桩承式路堤模型试验，无法充分考虑路堤土拱效应、土工加筋材料张拉膜效应与地基的桩—土相互作用、桩间软土的固结沉降作用的复杂耦合，无法有效控制由于方法缺陷导致的试验结果与实际工程情况出现较大偏差的问题。

发明内容

为解决上述现有技术问题，本发明提供了一种岩土工程物理—数值交互试验方法，将大型复杂工程通过选取合理的模型交互界面进行分割，采取多个物理模型试验体与数值模拟的协同试验，实现大型复杂工程的足尺或大比例尺模型试验以及其长期运营机制。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种岩土工程物理—数值交互试验方法，包括如下步骤：

步骤一，分析研究对象，选取交互界面，交互界面将研究对象分割为第一部分和第二部分；

步骤二，对第一部分建立物理模型，对第二部分建立数值模型；其中，物理模型包括数据采集装置和运行控制装置；

步骤三，通过物理模型中的数据采集装置采集第一部分中所需的数据，将数据采集装置采集到的数据施加到数值模型中交互界面上的对应点位；

步骤三，通过数值模型对步骤三中采集到的数据进行运算，读取数值模型在交互界面上的模拟计算结果；

步骤四，将步骤三中数值模型读取的模拟计算结果平均化处理后，通过物理模型中的运行控制装置将读取的模拟结果施加到物理模型中交互界面上的对应点位；

步骤五，反复执行步骤三、步骤四中的数据交互过程，如果数值模型计算达到设定的总运算步或时间步或物理模型被破坏，此时试验终止；

如果数值模型计算未达到设定的总运算步或时间步或物理模型未被破坏，此时则重复步骤三、四。

进一步地，所述第一部分是指研究对象中力学演变机制时间短，能够快速反应出外部载荷的影响，且模型几何结构不规则，力学机理未知的部分；

所述第二部分是指力学演变机制时间长达一年以上，不适合进行物理模型试验，且模型几何结构为规则的方形体，力学机理明确的部分。

进一步地，所述交互界面要介于第一部分和第二部分这两种类型结构之间，且选取直线、规则的弧线或者前述两种线段的组合线将研究对象整体的两种类型结构分割开。

进一步地，数据采集装置包括数据采集仪、传感器，其中所述传感器包括荷载传感器、位移传感器；

所述运行控制装置包括驱动模块和物理模型运行组件，所述物理模型组件模拟真实岩土结构，驱动模块对物理模型运行组件施加载荷或驱动其产生位移。

优选地，所述数值模型采用Abaqus、FALC或PFC数值模拟软件建立，并进行数值模拟计算。

本发明有益效果：

1、在控制试验成本的情况下，实现了大型复杂研究对象在各种工程效应叠加作用下的全组件、全效应耦合试验。以一般的桩承式路堤土拱效应模型试验为例，采用物理—数值交互试验方法，可以充分考虑路堤土拱效应、土工加筋材料张拉膜效应(适合采用物理模型试验)与地基的桩—土相互作用、桩间软土的固结沉降作用(适合采用数值模拟)的复杂耦合，最大程度的与桩承式加筋路堤的长期运营状况相吻合，模拟结果具有较高的还原度与可信度；

2、采用物理—数值交互试验方法，通过交互界面将大型研究对象分割成多个部分，对于适用于物理模型的部分，便于建立较大比例尺的物理模型，与离心机小比例尺试验相比，可以安排更多的测试内容，试验结果更为可靠；

3、采物理—数值交互试验方法，可以将涉及地基土固结等机制明确、现有理论可以计算、而力学演变时间长的部分建立数值模型进行数值模拟，可以通过计算较快的完成，与现场试验或考虑实际土固结的模型试验相比，无需制备相似材料，可以节省了大量时间与监测、试验费用。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步地说明。

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明中实施例桩承式加筋路堤结构示意图；

图3为以桩承式加筋路堤的下部桩土为对象的数值模型建立过程，3a使用预先建立的模型装配部件装配而成的桩土数值模型；3b数值模型网格划分示意图；3c为地应力平衡后的模型位移状态示意图；

图4为某一循环下的数值计算结构模型图；

图5为本发明中物理模型、数值模型示意图；

具体实施方式

实施例：

本实施例以三维阵列式多活动门的桩承式路堤土拱效应模型试验为例，应当理解，试验方法同样也适用于其它试验模型。

步骤一，分析研究对象，选取交互界面：

如图2所示，为桩承式加筋路堤的抽象模型简图。上部为加筋路堤，下部为采用桩处理的软土地基，为具体研究桩承式加筋路堤在软土长期沉降过程中对路堤的影响和路堤的复杂力学机制，且上部加筋路堤因为厚度较小，力学反应快速，力学机制复杂且作为主要研究对象，为此，选择上部加筋路堤建立物理模型进行物理模型试验。而下部的桩处理的软土地基，软土固结需要的时间长，但现有固结计算理论完善(例如：太沙基固结理论、流固耦合计算方法等)，且软土和桩的均质性好，几何尺寸规整，为此，选择下部桩处理的软土地基建立数值模型进行数值模拟。通过以上对研究对象的整体分析，可将交互界面设定在加筋路堤底部与桩土路基顶部，如图中红线所示位置。

对于一般研究对象情况下，交互分割界面的选取要方便适合模型的建立，并适应研究对象的不同特征。对于力学演变机制时间长达一年以上，不适合进行物理模型试验，且模型几何结构为规则的方形体和力学机理明确的简单部分(例如：软土的固结沉降等)，选择建立数值模型，可以缩短试验时间，同时，模量、泊松比、密度、含水率属性参数更易于获取，方便进行数值模拟；对于力学演变机制时间短，能够快速反应出外部载荷的影响，且模型几何结构不规则和力学机理未知的复杂部分(例如：加筋路堤、基础的变形等)，选择建立物理模型，可以直观准确的研究其力学特征和破坏机理。交互分割界面要介于以上两种类型结构之间，交互分割界面选取以直线、规则的弧线或者两种线段的组合线将研究对象整体的各个不同结构分割开。

步骤二，物理模型、数值模型建立：

从交互界面往上，依次为加筋体、碎石垫层、石英砂，各厚度可根据实际工程尺寸缩尺得到，实现加筋路堤的物理模型建立。以桩承式加筋路堤的上部加筋路堤为对象建立物理模型，其中模拟固定桩和模拟可沉陷桩间土的物理器件包含了物理模型运行组件和各类所需的数据采集传感器，此处布置的为环形荷载传感器，其中用于模拟桩间土沉陷的沉降台平面尺寸为15cm*15cm，行程为15cm，最小单次位移量可达到0.001mm，多个沉降台可根据需要进行各种组合布置，交互界面位于物理模型模拟桩与模拟桩间土的顶部。土工加筋体采用了格栅相似材料，刚度相似比满足尺寸相似比要求，位于桩土之上。

如图3所示，是以桩承式加筋路堤的下部桩土为对象的数值模型建立过程。图3a为使用预先建立的模型装配部件装配而成的桩土数值模型，模型的四角为桩，中间其余部分为软土，底部为坚硬土层，模型尺寸与实际尺寸相同，部件主要分为桩部件和土部件，并对部件分别给予相关参数(例如：弹性模量、泊松比、密度等)，各部件之间的接触为线弹性接触(也可根据需要设置为其它接触模式)。本例为软土模型，因此需要考虑土中的孔隙水压力，采用的分析步为流体渗透应力耦合分析步(同时可根据需要，考虑土体的蠕变、膨胀、粘弹性等行为)。图3b为数值模型网格划分，为软件默认方法划分(也可根据需要设置网格划分方法)，网格的疏密程度应根据模型试验需求、计算机计算能力以及计算结果是否收敛而定。图3c为地应力平衡后的模型位移状态，为以上准备好的数值模型施加相应边界条件，并施加相应的地应力，进行地应力自平衡，为后期的模型交互试验准备初始化的数值模型。

步骤三，通过物理模型数据采集装置读取物理模型交互界面荷载、位移等所需数据，并将读取数据施加到数值模型交互界面上对应点位：

将在物理模型上环形荷载传感器测得的荷载数据按比例尺进行放大后，以面力的形式施加到图3c中经过地应力平衡后的初始数值模型桩土顶部的交互界面的相应点位上，作为数值模型的计算荷载条件。

步骤四，数值模型运算：

数值模型的桩土顶部施加了物理模型测得的荷载数据后，便可进行数值计算。以时间步的形式设置桩土数值模型的受压沉降天数，采用显示计算模拟方法，在循环交互过程中，便可在数值模型桩土交互界面顶部进行面力更新(面力数据来源于物理模型发生沉降后产生的新荷载数据，而物理模型的沉降值则来源于数值模型的计算结果)，在上一个循环数值模型计算的基础之上进行叠加运算。

步骤五，读取数值模型在交互界面上荷载、位移等模拟结果，并通过物理模型运行控制装置将读取数据施加到物理模型交互界面上对应点位：

本案例采用的物理模块运行组件是升降台，升降台平面尺寸为15cm*15cm，行程为15cm，最小单次位移量可达到0.001mm，多个沉降台可根据需要进行各种组合布置。升降台设置多组驱动控制模块，最多可同时控制144台升降台运动。如图4所示，为某一循环下的数值计算结果模型图，读取桩土顶部交互界面上的各单元节点的位移量，取对应升降台的数值模型上各节点位移量，取平均值后，按缩尺比例进行缩小，将其作为升降台的沉陷值，通过物理模型运行控制装置施加到物理模型交互界面上对应沉降台位置，控制升降台沉降后，在物理模型交互界面上产生新的荷载值供提取。

步骤六，判断是否达到预定运算步或时间步或模型破坏或其它情况：

根据实际工程的运营周期情况，设定所需要的计算步或时间步，本案例所采用的是时间步控制方法，设定具体的桩土受压沉陷天数，在单次循环过程中设定本次循环的计划时间步，当累计时间达到预定时间时，终止试验，本试验的总时间步为300天，即试验桩承式软土路基在路堤的压力作用下300天内沉陷情况。或者试验过程中，模型发生破坏(例如：加筋材料发生大量断裂)，或者数值模型中软土底部的孔隙水压达到10kPa以下的稳定状态，后期沉陷可忽略不计，在这些情况下也可以终止试验。

循环交互试验方案：本案例交互试验循环时间表如下：(单位：天)

可根据不同的工程情况设计不同的交互试验循环时间表，对于固结周期或力学演化机制周期较长的软土体结构，可以适当加长交互试验的循环时间，反之，则可适当减短交互试验的循环时间。

本案例试验数据：

表1数值模型桩土顶部节点的沉陷数据

表2物理模型路堤底部载荷计的荷载数据

表1为数值模型桩土顶部节点在数值计算中累计沉降天数的沉陷值，该数据经过相似比、平均化处理后，作为物理模型交互界面上的沉降台控制值。表2为物理模型路堤底部环形载荷计测得的荷载数据，该数据经过相似比、平均化处理后，作为数值模型顶部交互界面上的桩土面力控制值。

Claims (5)

1.一种岩土工程物理—数值交互试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，分析研究对象，选取交互界面，交互界面将研究对象分割为第一部分和第二部分；

步骤二，对第一部分建立物理模型，对第二部分建立数值模型；其中，物理模型包括数据采集装置和运行控制装置；

步骤三，通过物理模型中的数据采集装置采集第一部分中所需的数据，将数据采集装置采集到的数据施加到数值模型中交互界面上的对应点位；

步骤三，通过数值模型对步骤三中采集到的数据进行运算，读取数值模型在交互界面上的模拟计算结果；

步骤四，将步骤三中数值模型读取的模拟计算结果平均化处理后，通过物理模型中的运行控制装置将读取的模拟结果施加到物理模型中交互界面上的对应点位；

步骤五，反复执行步骤三、步骤四中的数据交互过程，如果数值模型计算达到设定的总运算步或时间步或物理模型被破坏，此时试验终止；

如果数值模型计算未达到设定的总运算步或时间步或物理模型未被破坏，此时则重复步骤三、四。

2.根据权利要求1所述的一种岩土工程物理—数值交互试验方法，其特征在于，所述第一部分是指研究对象中力学演变机制时间短，能够快速反应出外部载荷的影响，且模型几何结构不规则，力学机理未知的部分；

所述第二部分是指力学演变机制时间长达一年以上，不适合进行物理模型试验，且模型几何结构为规则的方形体，力学机理明确的部分。

3.根据权利要求1所述的一种岩土工程物理—数值交互试验方法，其特征在于，所述交互界面要介于第一部分和第二部分这两种类型结构之间，且选取直线、规则的弧线或者前述两种线段的组合线将研究对象整体的两种类型结构分割开。

4.根据权利要求1所述的一种岩土工程物理—数值交互试验方法，其特征在于，数据采集装置包括数据采集仪、传感器，其中所述传感器包括荷载传感器、位移传感器；

所述运行控制装置包括驱动模块和物理模型运行组件，所述物理模型组件模拟真实岩土结构，驱动模块对物理模型运行组件施加载荷或驱动其产生位移。

5.根据权利要求1所述的一种岩土工程物理—数值交互试验方法，其特征在于，所述数值模型采用Abaqus、FALC或PFC数值模拟软件建立，并进行数值模拟计算。

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