CN113481778B - 一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术，具体包括以下步骤：利用有限元软件建立多层加筋的桩承式路堤数值模型，对多层加筋体的工作机理进行计算分析；基于加筋垫层中各层加筋体的应力应变分析结果，优化加筋垫层内各层加筋体的强度等级，指导桩承式加筋路堤的精细化设计。本发明深入研究了加筋垫层中各层加筋体的协同承载机理，能保证充分发挥各层加筋体的强度，且有效控制路堤的竖向和水平位移，一方面可维持桩承式加筋路堤的长期稳定性，另一方面又可避免因多层加筋体的不合理设计造成的材料浪费。

Description

一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术
技术领域
本发明涉及路基工程计算机辅助设计技术领域，属于一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术。
背景技术
在桩承式加筋路堤中，由于桩体和桩间软土的刚度存在较大差异，在路堤自重作用下，桩间软土地基上部路堤填土相对于桩帽上部的路堤填土会产生较大的差异沉降，导致铺设于路堤底部的水平加筋体向下弯曲，产生张拉应力。同时，软土地基上部路堤填土的侧向推力作用使水平加筋体产生限制路堤侧向变形的约束力，一部分路堤填土荷载将通过水平加筋体传递至桩帽，这被称为“拉膜效应”。加筋体的“拉膜效应”对保证桩承式路堤的长期稳定性具有重要意义。
单层布置和多层布置是桩承式加筋路堤中加筋体的两种常见布置形式，多层布置则通常采用强度较低的加筋体。相对于单层加筋垫层，多层加筋体能使作用在软土地基表面的竖向应力分布更加均匀，且明显地减小了作用在桩间软土中心点的竖向应力，更有利于控制路面的差异沉降。然而，目前对于多层加筋体的设计并未考虑到各层加筋体受力及变形特性的差异，导致上层加筋体的强度得不到充分发挥，而下层加筋体强度又不足。因此，这一方面造成了加筋材料的浪费，另一方面不利于控制路堤的沉降和水平变形。
针对现有桩承式加筋路堤多层加筋体设计方法存在的不足，亟需研发一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术，通过数值模拟的方法分析多层加筋体的工作机理，得到加筋垫层内部各层加筋体强度的优化组合方案，作为软土路基工程设计方案优化的指导依据。
发明内容
本发明针对桩承式多层加筋路堤现有设计方法的不足，提出了一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术。为实现该技术，本发明采用了如下技术方案：
（1）依据桩承式多层加筋路堤典型断面的设计图纸，应用有限元软件对路堤、加筋垫层、桩体和软土地基进行模拟仿真，建立桩承式多层加筋路堤三维有限元模型；
（2）对步骤（1）所述的三维有限元模型进行静力学分析，得到加筋垫层中各层加筋体拉应力、应变的分布规律，并明确各层加筋体拉应力、应变的比值分布范围；
（3）根据步骤（2）确定的各层加筋体拉应力、应变的比值分布范围，通过增大下层加筋体的强度等级，降低中、上层加筋体的强度等级，优化加筋垫层中各层加筋体的强度等级。
上述建立桩承式多层加筋路堤三维有限元模型的具体步骤如下：
① 所述路堤、桩体和软土地基均采用C3D8单元进行模拟，按实际截面属性建模，并将路堤、桩体和软土地基划分为均匀的正方体网格；
② 所述加筋垫层由碎石垫层和多层加筋体组合而成，碎石填料采用C3D8单元进行模拟，加筋体采用M3D4单元进行模拟，全面考虑碎石填料和加筋体的几何尺寸和受力特性；
③ 在步骤①和②所述的桩体和软土地基之间、碎石垫层和多层加筋体之间设置接触，利用“Penalty”函数接触模拟桩和软土地基、碎石垫层和加筋体之间的切向相互作用，利用“硬接触”模拟桩和软土地基、碎石垫层和加筋体之间的法向相互作用。
上述步骤（3）的具体实现方式如下：
① 利用ABAQUS有限元软件建立的桩承式多层加筋路堤三维有限元模型进行分析，计算得到路堤自重荷载作用下各层加筋体拉应力、应变的比值分布范围；
② 根据该比值分布范围，在保持加筋垫层内部加筋体总强度不变的前提下，调整加筋垫层内部各层加筋体的强度等级，建立多个桩承式多层加筋路堤三维有限元模型；
③ 上述步骤②中根据步骤（1）和（2）中所述的方法，增大下层加筋体的强度，降低中、上层加筋体的强度，对各个模型中加筋垫层内部底层加筋体的拉应力、应变进行对比分析，得到底层加筋体应变最小时对应的各层加筋体的强度等级，以此作为各层加筋体强度等级选取的优化方案，并应用于软土地基上桩承式加筋路堤的设计。
有益效果
本发明提供的基于数值模拟的桩承式路堤多层低强度加筋体加固技术，根据加筋垫层内部各层加筋体应力应变的数值分析结果，调整各层加筋体的强度等级，可充分发挥各层加筋体的承载性能。此外，本发明所建立的桩承式多层加筋路堤三维有限元模型，结构完善，考虑了桩承式加筋路堤的主要组成部分，模型各项参数均可通过室内试验和现场实测数据取得，对于多层加筋体受力和变形的分析结果，可为桩承式加筋路堤中加筋垫层的设计方案优化及软土路基的长期沉降控制提供参考依据。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明建模方法的模型布置俯视图；
图3为本发明建模方法具体的几何模型和网格划分示意图；
图4为多层加筋体整体模型图；
图5为各层加筋体拉力对比图（工况一）；
图6为底层加筋体的拉力对比图（工况一、二、三）；
图7为底层加筋体的应变对比图（工况一、二、三）；
图8为工况二和工况四的底层加筋体的拉力对比图；
图9为工况二和工况四的底层加筋体的应变对比图；
图10为四种工况中各层加筋体应变和归一化位移关系图；
图中，1为路堤，2加筋垫层，3为桩体，4为软土地基，5为碎石垫层，6为多层加筋体，7为模型的四周边界，A、B、C为桩的中心点。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。
本发明公开了一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术，该技术采用ABAQUS有限元软件，建立桩承式多层加筋路堤三维有限元模型，分析加筋垫层中各层加筋体拉应力及应变的分布规律，得到各层加筋体6承担荷载的比例关系，据此调整各层加筋体6的强度等级，优化桩承式加筋路堤的加筋垫层设计方案。
如图1所示的一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术，具体包括以下步骤：
（1）依据桩承式多层加筋路堤典型断面的设计图纸，获取建模所需的几何参数，利用ABAQUS有限元软件对路堤1、加筋垫层2、桩体3和软土地基4进行模拟仿真，考虑到路堤结构的对称性，这里仅建立半幅桩承式多层加筋路堤三维有限元模型，如图3所示；
① 所述路堤1、桩体3和软土地基4均使用C3D8单元类型划分，并采用结构化网格划分方式将路堤1、桩体3和软土地基4划分为均匀的正方体网格，其中路堤1采用摩尔库伦模型进行模拟，桩体3简化为线弹性体，采用线弹性模型进行模拟，软土地基则采用修正剑桥模型进行模拟；
② 所述加筋垫层2由碎石垫层5和多层加筋体6组成，如图4所示，碎石垫层5采用C3D8单元类型划分，加筋体6采用M3D4单元类型划分，其中，碎石垫层5使用摩尔库伦模型进行模拟，加筋体6简化为弹性体，使用正交各向异性线弹性模型进行模拟，碎石垫层5和多层加筋体6的几何尺寸及物理力学参数均按照实测值取值；所述多层加筋体6的总强度为3MN/m；
③ 在步骤①和②所述的桩体3和软土地基4之间、碎石垫层5和多层加筋体6之间设置接触，利用“Penalty”函数接触模拟桩体3和软土地基4、碎石垫层5和多层加筋体6之间的摩擦作用，桩体3和软土地基4之间的摩擦系数为0.75tanφ S，φ S为软土地基4的内摩擦角，碎石垫层5和多层加筋体6之间的摩擦系数为tanφ g ，φ g 为碎石垫层5的内摩擦角；利用“硬接触”模拟桩3和软土地基4、碎石垫层5和多层加筋体6之间的法向接触， 即两表面分开时主-从面之间不传递接触压力，两表面接触时主-从面之间才会存在接触压力，并且主-从面不允许穿透；
（2）对步骤（1）所述的三维有限元模型进行静力学分析，计算得到在路堤自重荷载作用下，加筋垫层2中各层加筋体6强度相同（工况一）时，各层加筋体6拉力、应变的分布规律，并确定各层加筋体6拉力、应变的比值分布范围；
对半幅桩承式多层加筋路堤三维有限元模型的各层加筋体受力状态进行分析，得到沿桩帽对角线（A-C）方向的各层加筋体拉力对比情况，如图5所示。从图5中可看出，中层和上层加筋体的拉力峰值大致相同，底层加筋体的拉力峰值约为中间和上层加筋体拉力峰值的2-4倍。如果加筋垫层内部各层加筋体强度等级均相等，一方面会造成上部加筋体强度等级过高，得不到充分的发挥，浪费加筋材料，另一方面可能会造成下部加筋体强度不足，影响路堤的抵抗变形能力。因此，应针对各层加筋体的受力特点选择合适强度等级的加筋体。
（3）根据步骤（2）得到的各层加筋体6拉力、应变的比值分布范围，调整加筋垫层2内部各层加筋体的强度等级，增大下层加筋体的强度等级，降低中、上层加筋体的强度等级。根据步骤（1）和（2）的方法，在保持加筋垫层2内部加筋体总强度为3 MN/m不变的前提下，仅改变各层加筋体6的强度等级，建立上、中、下三层加筋体的强度等级比值分别为1：1：4（工况二）和1：1：2（工况三）的桩承式多层加筋路堤三维有限元模型；此外，再建立一组各层加筋体6总强度为6 MN/m，上、中、下三层加筋体的强度比值为1：1：1（工况四）的桩承式多层加筋路堤三维有限元模型。对各个模型中加筋垫层内底层加筋体的拉力、应变进行对比分析，如图6-10所示。由图6-7可知，当保持各层加筋体总强度为3 MN/m时，工况二对应的底层加筋体的应变最小；由图8-10可知，当各层加筋体总强度分别为3 MN/m和6 MN/m时，工况二和工况四对应的底层加筋体应变和归一化位移大致相同，因此，两种加筋形式控制路堤沉降的效果相当。然而，相比于工况四，工况二更节省加筋材料。综上所述，桩承式加筋路堤中加筋垫层内各层加筋体的拉应力、应变特性存在差异，需在设计中予以考虑。通过适当增大底层加筋体的强度等级以及降低中、上层加筋体强度等级的方式，优化多层加筋体的设计方案。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：依据桩承式多层加筋路堤典型断面的设计图纸，应用有限元软件对路堤、加筋垫层、桩体和软土地基进行模拟仿真，建立桩承式多层加筋路堤三维有限元模型；
所述步骤一中，桩承式多层加筋路堤三维有限元模型的建立步骤具体如下：
(1)所述路堤、桩体和软土地基均采用C3D8单元进行模拟，按实际截面属性建模，并将路堤、桩体和软土地基划分为均匀的正方体网格；
(2)所述加筋垫层由碎石垫层和多层加筋体组成，碎石垫层采用C3D8单元进行模拟，多层加筋体采用M3D4单元进行模拟，可全面考虑加筋垫层和加筋体的几何尺寸和受力特性；
(3)在步骤(1)和(2)所述的桩体和软土地基之间、碎石垫层和多层加筋体之间设置接触，利用“Penalty”函数接触模拟桩和软土地基、碎石垫层和多层加筋体之间的切向接触特性，利用“硬接触”模拟桩和软土地基、碎石垫层和各层加筋体之间的法向接触；
步骤二：对桩承式多层加筋路堤三维有限元模型进行静力学分析，得到加筋垫层内各层加筋体拉应力、应变的分布规律以及各层加筋体之间拉应力、应变比值的分布范围；
步骤三：根据已经获得的加筋垫层内各层加筋体拉应力、应变的分布规律以及各层加筋体之间拉应力、应变比值的分布范围，对加筋垫层内各层加筋体的强度等级进行调整；通过增大下层加筋体的强度等级，降低中、上层加筋体的强度等级，得到加筋垫层内各层加筋体强度等级的优化方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术，其特征在于：所述步骤三中，通过对建立的桩承式多层加筋路堤三维有限元模型进行计算分析，得到路堤自重荷载作用下各层加筋体拉应力、应变的比值分布范围；根据所述比值分布范围，调整加筋垫层内部各层加筋体的强度等级，增大下层加筋体的强度等级，降低中、上层加筋体的强度等级；再根据步骤(1)和(2)的方法，在保持各层加筋体总强度不变的前提下，仅改变各层加筋体的强度比例，建立多个桩承式多层加筋路堤三维有限元模型，并对各个模型中底层加筋体的拉应力、应变的大小进行对比分析，得到底层加筋体应变最小时对应的各层加筋体的强度等级，据此提出一种加筋垫层中各层加筋体强度等级的优化方案。
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