CN113255176A - 一种基于数值模拟的多向复合加筋垫层加固方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于数值模拟的多向复合加筋垫层加固方法。该方法包括:运用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型;对桩承式加筋路堤三维分析模型进行仿真分析,得到桩承式加筋路堤中加筋体的拉应力及竖向位移的分布规律;根据拉应力及竖向位移的分布规律,对加筋体不同区域处加筋肋条的强度与布置方式进行重新设计,采用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型的方式,获得第一应力区、第二应力区、第三应力区三个区域加筋肋条的强度比例,根据强度比例,制成新型多向拉伸的加筋体材料;使用新型多向拉伸的加筋体材料,对桩承式路堤进行加固,解决了加筋体的“拉膜效应”不能很好的发挥、加筋垫层承载力不足的问题。
Description
技术领域
本申请涉及道路工程技术领域,特别是涉及一种基于数值模拟的多向复合加筋垫层加固方法。
背景技术
桩承式加筋路堤中,加筋体能调节作用在桩与软土上的应力,有效限制了桩承式加筋路堤的沉降与侧向变形。而多向拉伸加筋体的力学性能优越、集料嵌锁能力强,可满足复杂应力环境下桩承式加筋路堤对各向力学强度的要求,有效解决软弱土地基沉降变形过大的问题,对复杂应力条件下高速公路及铁路路基沉降变形控制有重要意义。
但目前的产品设计时,缺少对加筋体作用机理的分析,没有考虑桩承式加筋路堤中加筋体的实际受力和变形特点,使得会造成加筋体的“拉膜效应”不能很好的发挥、加筋垫层承载力不足的问题。
发明内容
基于此,有必要针对上述技术问题,提供一种能够解决加筋体的“拉膜效应”不能很好的发挥、加筋垫层承载力不足的问题的基于数值模拟的多向复合加筋垫层加固方法。
一种基于数值模拟的多向复合加筋垫层加固方法,所述方法包括:
运用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型;
对所述桩承式加筋路堤三维分析模型进行仿真分析,得到桩承式加筋路堤中加筋体的拉应力及竖向位移的分布规律;
根据所述拉应力及竖向位移的分布规律,对加筋体不同区域处加筋肋条的强度与布置方式进行重新设计,将加筋体分为第一应力区、第二应力区、第三应力区三个不同强度区域,降低所述第二应力区和所述第三应力区区域的加筋肋条的强度,所述第一应力区的加筋体拉应力大于所述第二应力区的加筋体拉应力,所述第二应力区的加筋体拉应力大于所述第三应力区的加筋体拉应力;
采用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型的方式,建立多组桩承式加筋路堤三维数值分析模型,对各组所述桩承式加筋路堤三维数值分析模型中加筋体的拉应力与竖向位移进行对比分析,获得所述第一应力区、所述第二应力区、所述第三应力区三个区域加筋肋条的强度比例,根据所述强度比例,制成新型多向拉伸的加筋体材料;
使用所述新型多向拉伸的加筋体材料,对桩承式路堤进行加固。
在其中一个实施例中,所述运用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型的步骤,包括:
桩承式加筋路堤三维数值分析模型包括路堤、桩、桩周土和加筋体,采用C3D8实体单元对路堤、桩、软土地基进行模拟,采用T3D2桁架单元对加筋体进行模拟;
所述加筋体和所述路堤之间、所述桩与所述桩周土之间的接触,切向方向采用罚函数接触进行模拟,法向方向采用硬接触进行模拟;
所述桩承式加筋路堤三维数值分析模型荷载考虑路堤荷载的自重作用;
所述桩承式加筋路堤三维数值分析模型的前后两侧、左右两侧进行水平约束,模型底部进行固定约束。
在其中一个实施例中,所述新型多向拉伸的加筋体材料包括加筋纵肋、加筋横肋和加筋斜肋;
桩帽所在第一应力区采用相互平行的第一加筋横肋与第一加筋纵肋加固;相邻桩帽间软土所在第二应力区采用相互平行的第二加筋横肋与第二加筋纵肋,以及两条相交的第一加筋斜肋加固;在对角桩帽间软土所在第三应力区采用相互平行的第三加筋横肋与第三加筋纵肋,以及两条相交的第二加筋斜肋来加固。该新型四向拉伸加筋体的第一应力区、第二应力区、第三应力区的三个强度区域加筋肋条的强度比例为:3:1.5:1。
在其中一个实施例中,所述使用所述新型多向拉伸的加筋体材料,对桩承式路堤进行加固的步骤,包括:
在桩承式路堤的软土地基中布设桩基加固软土,并在地基软土与所述桩承式路堤的桩帽上方设置所述新型四向拉伸加筋体,以限制在各种复杂荷载条件下路堤填土的侧向变形。
上述基于数值模拟的多向复合加筋垫层加固方法,通过运用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型;对所述桩承式加筋路堤三维分析模型进行仿真分析,得到桩承式加筋路堤中加筋体的拉应力及竖向位移的分布规律;根据所述拉应力及竖向位移的分布规律,对加筋体不同区域处加筋肋条的强度与布置方式进行重新设计,采用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型的方式,建立多组桩承式加筋路堤三维数值分析模型,对各组所述桩承式加筋路堤三维数值分析模型中加筋体的拉应力与竖向位移进行对比分析,获得第一应力区、第二应力区、第三应力区三个区域加筋肋条的强度比例,根据所述强度比例,制成新型多向拉伸的加筋体材料;使用所述新型多向拉伸的加筋体材料,对桩承式路堤进行加固,满足其在各个方向上的受力要求,可以更好地适应桩承式路堤中复杂的应力环境,有利于路堤的长期稳定性,解决了加筋体的“拉膜效应”不能很好的发挥、加筋垫层承载力不足的问题。
附图说明
图1为一个实施例中桩承式加筋路堤三维数值分析模型网格划分图;
图2为一个实施例中加筋体变形与拉应力分布示意图;
图3为一个实施例中相邻桩帽中心连线加筋体拉应力分布图;
图4为一个实施例中相邻桩帽中心连线加筋体拉应力分布图;
图5为一个实施例中相邻桩帽中心连线加筋体竖向位移分布图;
图6为一个实施例中对角桩帽中心连线加筋体竖向位移分布图;
图7为一个实施例中新型四向拉伸的加筋体材料的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
在一个实施例中,提供了一种基于数值模拟的多向复合加筋垫层加固方法,包括以下步骤:
步骤1:运用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型。
在一个实施例中,运用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型的步骤,包括:
桩承式加筋路堤三维数值分析模型包括路堤、桩、桩周土和加筋体,采用C3D8实体单元对路堤、桩、软土地基进行模拟,采用T3D2桁架单元对加筋体进行模拟;加筋体和路堤之间、桩与桩周土之间的接触,切向方向采用罚函数接触进行模拟,法向方向采用硬接触进行模拟;桩承式加筋路堤三维数值分析模型荷载考虑路堤荷载的自重作用;桩承式加筋路堤三维数值分析模型的前后两侧、左右两侧进行水平约束,模型底部进行固定约束。
其中,如图1所示,首先应用有限元软件ABAQUS对路堤1、加筋体2、桩3和桩周软土4进行仿真模拟,考虑模型的对称性,建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型,①所述桩承式加筋路堤三维数值分析模型采用C3D8实体单元对路堤1、桩3、桩周软土4进行模拟,采用T3D2桁架单元对加筋体2进行模拟;所述桩承式加筋路堤三维数值分析模型全面考虑桩承式加筋路堤各部分结构的几何属性和物理属性,按实际截面属性建模;
②路堤1采用摩尔-库伦本构模型进行模拟,桩周软土4采用修正剑桥本构模型进行模拟,加筋体2和桩3均采用线弹性本构模型进行模拟,并依次对所述桩承式加筋路堤三维数值分析模型各部件赋予材料参数;
③对以上各部件装配然后定义接触。路堤1和加筋体2,以及桩3与桩周软土4的接触方式定义为“Surface-to-surface contact(面-面接触)”,切向接触采用罚函数接触进行模拟,法向接触采用硬接触进行模拟;
定义荷载和边界条件。桩承式加筋路堤三维数值分析模型荷载仅考虑路堤荷载自重作用,对模型前后两侧、左右两侧进行水平约束,模型底部进行固定约束,即完成桩承式加筋路堤三维数值分析模型的建立。
选用T3D2桁架单元模拟加筋体,能很好地模拟加筋体的实际结构,更精确地分析加筋体的实际受力和变形情况。
步骤2:对桩承式加筋路堤三维分析模型进行仿真分析,得到桩承式加筋路堤中加筋体的拉应力及竖向位移的分布规律。
其中,①基于桩承式加筋路堤三维数值分析模型的加筋体拉应力分布规律,加筋体拉应力分布云图如图2所示,从云图可以看出,加筋体最大拉应力Tmax出现在桩帽所在区域A边缘处,其值约为相邻桩帽间软土上方区域B加筋体拉应力的约2~3倍(从图3可计算获得);同时可计算出加筋体最大拉应力Tmax是对角桩帽间软土上方区域C加筋体拉应力的约3~110倍,如图4所示。由此可知,桩承式加筋路堤中加筋体不同区域的应力分布差异明显,若加筋体在不同区域使用同一种强度的加筋肋条材料,势必造成材料的浪费。
②基于桩承式加筋路堤三维数值分析模型的加筋体竖向位移分布规律,图2同时体现了桩承式加筋路堤中加筋体的竖向位移分布规律,从图2中可以看出,加筋体最大竖向位max出现在对角桩帽间软土中心处,而在两相邻桩帽间软土上方的加筋体也发生了较大的竖向位移。因此,通过在桩帽间(两相邻桩帽间与对角桩帽间)软土上方区域的加筋横肋与纵肋所形成的孔洞间增设斜向加筋肋条(即相交的斜肋),以减小加筋体的不均匀变形,进而可以有效改善路堤的不均匀沉降。
步骤3:根据拉应力及竖向位移的分布规律,对加筋体不同区域处加筋肋条的强度与布置方式进行重新设计,将加筋体分为第一应力区、第二应力区、第三应力区三个不同强度区域,降低第二应力区和第三应力区区域的加筋肋条的强度,第一应力区的加筋体拉应力大于第二应力区的加筋体拉应力,第二应力区的加筋体拉应力大于第三应力区的加筋体拉应力。
步骤4:采用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型的方式,建立多组桩承式加筋路堤三维数值分析模型,对各组桩承式加筋路堤三维数值分析模型中加筋体的拉应力与竖向位移进行对比分析,获得所述第一应力区、所述第二应力区、所述第三应力区三个区域加筋肋条的强度比例,根据强度比例,制成新型多向拉伸的加筋体材料。
其中,其中,依据步骤(2)得到的桩承式加筋路堤中加筋体拉应力的分布规律,将加筋体7分为第一应力区、第二应力区、第三应力区三个强度区域,第一应力区、第二应力区、第三应力区分别表示高应力区、中应力区与低应力区;调整第二应力区、第三应力区加筋体的强度,采用步骤(1)的方法建立加筋体第一应力区、第二应力区、第三应力区加筋肋条的强度比值分别为3:2:1、3:1.5:1、3:1:1以及3:0.5:0.5的桩承式加筋路堤三维数值分析模型,并对各组模型中加筋体的拉应力与竖向位移进行对比分析,如图3、图4、图5与图6所示。研究发现,当第一应力区、第二应力区、第三应力区三个区域加筋肋条的强度比值为3:1.5:1时,其加固效果与不降低第二应力区、第三应力区两个区域加筋肋条强度时的加固效果相接近(两者加筋体的最大竖向位移误差小于5%),且加筋体材料最节省。
在一个实施例中,新型多向拉伸的加筋体材料包括加筋纵肋、加筋横肋和加筋斜肋;桩帽所在第一应力区采用相互平行的第一加筋横肋与第一加筋纵肋加固;相邻桩帽间软土所在第二应力区采用相互平行的第二加筋横肋与第二加筋纵肋,以及两条相交的第一加筋斜肋加固;在对角桩帽间软土所在第三应力区采用相互平行的第三加筋横肋与第三加筋纵肋,以及两条相交的第二加筋斜肋来加固。该新型四向拉伸加筋体的第一应力区、第二应力区、第三应力区的三个强度区域加筋肋条的强度比值为:3:1.5:1。
其中,根据步骤(2)得到的桩承式加筋路堤中加筋体竖向位移的分布规律分析加筋体的变形特点,发现加筋体的变形主要发生在两相邻桩帽间软土上方所在区域(第二应力区)与对角桩帽间软土上方所在区域(第三应力区),因而第二应力区、第三应力区两个区域增设加筋斜肋加固,以减小加筋体的变形。如图7所示,因而新型四向拉伸的加筋体材料包括加筋纵肋、加筋横肋和加筋斜肋,其中桩帽所在第一应力区采用相互平行的第一加筋横肋5与第一加筋纵肋6加固(第一加筋横肋5与第一加筋纵肋6的强度相同,其强度记为K1);相邻桩帽间软土上方所在第二应力区采用相互平行的第二加筋横肋7与第二加筋纵肋8,以及两条相交的第一加筋斜肋9加固(第二加筋横肋7、第二加筋纵肋8与第一加筋斜肋9的强度相同,其强度记为K2);在对角桩帽间软土上方所在第三应力区采用相互平行的第三加筋横肋10与第三加筋纵肋11,以及两条相交的第二加筋斜肋12来加固(第三加筋横肋10、第三加筋纵肋11与第二加筋斜肋12的强度相同,其强度记为K3)。该新型四向拉伸加筋体的第一应力区、第二应力区、第三应力区三个强度区域加筋肋条的强度比值K1:K2:K3=3:1.5:1。
基于桩承式加筋路堤中加筋体受力特点的数值分析结果,优化多向加筋体的设计,对第一应力区、第二应力区、第三应力区三个区域采用不同强度的加筋肋条,充分发挥加筋体各部分的承载性能,达到精细化设计的目的,避免很大程度的材料浪费;同时基于桩承式加筋路堤中加筋体三维变形的特点,在其变形最大位置处(第二应力区与第三应力区)添加两条相交的斜肋来加固,可有效提高加筋体的加固性能。
步骤5:使用新型多向拉伸的加筋体材料,对桩承式路堤进行加固。
在一个实施例中,使用新型多向拉伸的加筋体材料,对桩承式路堤进行加固的步骤,包括:在桩承式路堤的软土地基中布设桩基加固软土,并在地基软土与桩承式路堤的桩帽上方设置新型四向拉伸加筋体,以限制在各种复杂荷载条件下路堤填土的侧向变形。
其中,该新型四向拉伸加筋体基本上可以满足其在各个方向上的受力要求,可以更好地适应桩承式路堤中复杂的应力环境,有利于路堤的长期稳定性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种基于数值模拟的多向复合加筋垫层加固方法,其特征在于,所述方法包括:
运用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型;
对所述桩承式加筋路堤三维分析模型进行仿真分析,得到桩承式加筋路堤中加筋体的拉应力及竖向位移的分布规律;
根据所述拉应力及竖向位移的分布规律,对加筋体不同区域处加筋肋条的强度与布置方式进行重新设计,将加筋体分为第一应力区、第二应力区、第三应力区三个不同强度区域,降低所述第二应力区和所述第三应力区区域的加筋肋条的强度,所述第一应力区的加筋体拉应力大于所述第二应力区的加筋体拉应力,所述第二应力区的加筋体拉应力大于所述第三应力区的加筋体拉应力;
采用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型的方式,建立多组桩承式加筋路堤三维数值分析模型,对各组所述桩承式加筋路堤三维数值分析模型中加筋体的拉应力与竖向位移进行对比分析,获得所述第一应力区、所述第二应力区、所述第三应力区三个区域加筋肋条的强度比例,根据所述强度比例,制成新型多向拉伸的加筋体材料;
使用所述新型多向拉伸的加筋体材料,对桩承式路堤进行加固。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述运用有限元软件建立桩承式加筋路堤三维数值分析模型的步骤,包括:
桩承式加筋路堤三维数值分析模型包括路堤、桩、桩周土和加筋体,采用C3D8实体单元对路堤、桩、软土地基进行模拟,采用T3D2桁架单元对加筋体进行模拟;
所述加筋体和所述路堤之间、所述桩与所述桩周土之间的接触,切向方向采用罚函数接触进行模拟,法向方向采用硬接触进行模拟;
所述桩承式加筋路堤三维数值分析模型荷载考虑路堤荷载的自重作用;
所述桩承式加筋路堤三维数值分析模型的前后两侧、左右两侧进行水平约束,模型底部进行固定约束。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述新型多向拉伸的加筋体材料包括加筋纵肋、加筋横肋和加筋斜肋;
桩帽所在第一应力区采用相互平行的第一加筋横肋与第一加筋纵肋加固;相邻桩帽间软土所在第二应力区采用相互平行的第二加筋横肋与第二加筋纵肋,以及两条相交的第一加筋斜肋加固;在对角桩帽间软土所在第三应力区采用相互平行的第三加筋横肋与第三加筋纵肋,以及两条相交的第二加筋斜肋来加固,该新型四向拉伸加筋体的第一应力区、第二应力区、第三应力区的三个强度区域加筋肋条的强度比例为:3:1.5:1。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述使用所述新型多向拉伸的加筋体材料,对桩承式路堤进行加固的步骤,包括:
在桩承式路堤的软土地基中布设桩基加固软土,并在地基软土与所述桩承式路堤的桩帽上方设置所述新型四向拉伸加筋体,以限制在各种复杂荷载条件下路堤填土的侧向变形。
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