專利名稱：廣義賓海姆軟土流變變形模擬體的建立方法
技術領域：
本發(fā)明是一種用于建筑結構控制變形設計和相關研究的方法。尤其是一種直接應用于土木工程領域的廣義賓海姆軟土流變變形模擬體的建立方法。
背景技術：
近幾年我國一直在開展大規(guī)模的基礎建設，如高速公路、鐵路等重點工程的建設，在高速公路、鐵路建設過程中，不可避免地穿越軟土地區(qū)，在軟土地區(qū)修建高速公路、鐵路經(jīng)常會出現(xiàn)很多工程問題，路基沉降變形過大，影響正常通行橋頭、箱涵連接部位行車時出現(xiàn)跳車，涵洞由于沉降，影響水系暢流，存在防洪抗洪隱患。這主要由于軟土的變形特性認識不足，或者不能用一個準確的變形模型描述軟土的流變變形特性。雖然這方面的研究已取得不少成果，認識軟土的流變特性，如馬克斯威爾模型只能描述土的應力松弛現(xiàn)象，開爾文模型只能描述土的彈性后效應性質，修正的考馬拉-黃模型和賓海姆只能描述土的極限強度，這幾種現(xiàn)象都不能準確描述路基變形破壞的過程和現(xiàn)象。因為路基的變形破壞開始是由漸變到突變的過程，開始漸變變形可近似為彈塑性，最后突變是極限破壞現(xiàn)象。
發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明目的是提出一種廣義賓海姆軟土流變變形模擬體的建立方法，準確描述軟土的流變變形特性，以便實現(xiàn)高速公路、鐵路的控制變形設計。
技術方案我國有不少已建設的高速公路和鐵路在運營過程中(如攏海鐵路連云港段年年修，路基累計沉降最大接近2米)，有的在施工建設過程中就出現(xiàn)變形破壞(如連徐高速公路二期連云港段)，影響工程的正常運轉，造成大量的經(jīng)濟損失。為了準確描述路基的沉降變形的特征現(xiàn)象，為工程設計提供可靠理論依據(jù)，發(fā)明人進行現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗和計算總結分析工程特征現(xiàn)象，路基的沉降變形開始是由漸變到突變的過程，進而提出一種廣義賓海姆軟土流變模型，能準確地描述軟土流變變形的特征現(xiàn)象。
該模型由兩部分組合構成，一部分是彈塑性體，描述路堤漸變變形的彈塑性變形；另一部分是廣義賓海姆體，描述路堤的流變變形破壞特征。通過比奧固結方程將這兩個單元件進行線性組合，并由試驗確定相關單元體的參數(shù)，建立相關的數(shù)值算法，準確描述路堤沉降變形的特征。
該模型的模擬計算，首先對研究的地基與路堤及有關控制參數(shù)，包括路堤的高度、路堤上下寬度、平均容重參數(shù)和地基的土層分層厚度參數(shù)，對研究對象進行網(wǎng)格剖分，再通過常規(guī)三軸試驗和K0固結法三軸流變試驗獲取模型參數(shù)，這些參數(shù)主要描述土體的彈塑性變形和流變變形特征的試驗參數(shù)；模擬路堤填筑過程設定荷載增量和時間增量，比奧固結方程將彈塑性體與廣義賓海姆模型進行耦合，確定單元體的剛度矩陣和總體剛度矩陣，利用有限元進行數(shù)值求解，數(shù)值計算得到各節(jié)點的應力、位移和孔隙水壓力值，最終求出路基的沉降變形。
該模型的建立方法為a、輸入路堤設計參數(shù)，即堤頂、底寬，堤高、平均容重；b、輸入復合地基處理參數(shù)，即處理深度、置換率、土層參數(shù)；c、網(wǎng)格自動剖分；e、輸入模型參數(shù)，即輸入常規(guī)三軸試驗的彈塑性單元參數(shù)，K0固結法三軸流變試驗的流變單元參數(shù)；K0固結法是設定的一種土工試驗方法，要求試驗的土樣所承受的側向壓力與豎向壓力的比值等于常數(shù)K0進行變形測試f、路堤荷載增量，即某一層路堤填筑高度，等價為作用力即荷載的大小增量；g、填筑時間增量，即為某一層路堤填筑時間，等價為連續(xù)填筑時間的間隔增量；h、建立比奧固結方程表述土體的變形，將塑性體與廣義賓海姆體進行耦合，即將彈塑性體與賓海姆極限破壞體通過比奧固結方程建立聯(lián)系i、確定單元勁度矩陣，對每個網(wǎng)格單元體建立編碼，如受力大小，產(chǎn)生的位移變形j、構成總體剛度矩陣，即將所有網(wǎng)格單元體依據(jù)其編碼和排序，描述整個研究物體的受力和位移變形k、有限元求解比奧固結方程在研究空間各點上的解(空間各點位置由步驟c網(wǎng)格自動剖分確定)，這包括網(wǎng)格單元和網(wǎng)格節(jié)點上受力大小和變形大小l、邊界條件滿足否，如果不滿足邊界條件，則返回步驟I，確定單元勁度矩陣；如果滿足邊界條件，則執(zhí)行以下的步驟m，m、計算結點力、位移、孔壓，同時將計算結果返回至步驟f和步驟g進行循環(huán)；n、輸出計算結果，結束。
有益效果基于這一廣義賓海姆軟土流變模型，準確描述軟土路基變形特征，為確定合理軟土地基加固處理的方法提供理論依據(jù)，以實現(xiàn)控制變形設計，保證高速公路和鐵路安全運營，同時減少因沉降變形失控造成的經(jīng)濟損失，節(jié)約大量維修費用，具有明顯的經(jīng)濟效益。
圖1是廣義賓海姆軟土流變變形模擬方法示意圖。
圖2是計算實例示意圖。
圖3是廣義賓海姆軟土流變變形模擬體的建立方法示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的廣義賓海姆軟土流變變形模擬的建立方法以連徐高速公路連云港段為四車道的高速公路K20+395處為例說明，路堤高5m，路堤頂寬28m，底寬43m，路堤平均容重一般取20kN/m3；軟土地基較為單一，軟土厚度12m，軟土層下面土層也比較單一均勻，攪拌樁的處理長度為12.5m，樁間距為1.2m，置換率為0.157。
a、輸入路堤設計參數(shù)，即堤頂、底寬，堤高、平均容重；具體數(shù)值分別為28、43、5和20；b、輸入復合地基處理參數(shù)，即處理深度、置換率、土層參數(shù)；具體數(shù)值分別為12.5、0.157、4；c、網(wǎng)格自動剖分；e、輸入模型參數(shù)，即輸入常規(guī)三軸試驗的彈塑性單元參數(shù)，K0固結法三軸流變試驗的流變單元參數(shù)；K0固結法是設定的一種土工試驗方法，要求試驗的土樣所承受的側向壓力與豎向壓力的比值等于常數(shù)K0進行變形測試；取K0＝0.65(試驗得到的)，流變的粘滯參數(shù)η＝3.5*10-5(min-1)，其余一些參數(shù)為試驗統(tǒng)計參數(shù)；f、路堤荷載增量，即某一層路堤填筑高度，等價為作用力即荷載的大小增量；路堤高5m，近似分成四次填筑，荷載增量為25kPa；
g、填筑時間增量，即為某一層路堤填筑時間，等價為連續(xù)填筑時間的間隔增量；高速公路的修建時間一般為3～4年，計算的時間間隔通常可取20～40天，算例取時間間隔為20天；h、比奧固結方程將塑性體與廣義賓海姆體進行耦合，即將彈塑性體與賓海姆極限破壞體通過比奧固結方程建立聯(lián)系；i、確定單元勁度矩陣，對每個網(wǎng)格單元體建立編碼和特征，如受力大小，產(chǎn)生的位移變形；j、構成總體剛度矩陣，即將所有網(wǎng)格單元體依據(jù)其編碼和特征排序，描述整個研究物體的受力和位移變形；k、有限元求解比奧固結方程在各個網(wǎng)格單元和網(wǎng)格節(jié)點上的解，這包括網(wǎng)格單元和網(wǎng)格節(jié)點上受力大小和變形大小；l、邊界條件滿足否，如果不滿足邊界條件，則返回步驟I，確定單元勁度矩陣；如果滿足邊界條件，則執(zhí)行以下的步驟m，m、計算結點力、位移、孔壓，同時將計算結果返回至步驟f和步驟g進行循環(huán)；n、輸出計算結果，結束。計算結果見附圖2。
針對江蘇連云港海相軟土的固結變形特性、流變特性，建立一種廣義賓海姆軟土流變體，并將土體彈塑性變形體與廣義賓海姆極限破壞體進行有機結合，編制相關的計算軟件進行沉降計算，考慮流變的彈粘塑性模型計算沉降量與實測的沉降量比較接近(誤差小于10％)，較彈塑性變形體計算的沉降量精度提高了40％以上，成功地應用到連徐高速公路連云港段的二期工程的設計中，同時又將這一研究成果推廣應用到汾灌高速公路、連鹽高速公路的設計中。
權利要求
1.一種廣義賓海姆軟土流變變形模擬的建立方法，其特征在于建立方法如下a、輸入路堤設計參數(shù)，即堤頂、底寬，堤高、平均容重；b、輸入復合地基處理參數(shù)，即處理深度、置換率、土層參數(shù)；c、網(wǎng)格自動剖分；e、輸入模型參數(shù)，即輸入常規(guī)三軸試驗的彈塑性單元參數(shù)，K0固結法三軸流變試驗的流變單元參數(shù)；f、路堤荷載增量，即某一層路堤填筑高度，等價為作用力即荷載的大小增量；g、填筑時間增量，即為某一層路堤填筑時間，等價為連續(xù)填筑時間的間隔增量；h、比奧固結方程將塑性體與廣義賓海姆體進行耦合，即將彈塑性體與賓海姆極限破壞體通過比奧固結方程建立聯(lián)系；i、確定單元勁度矩陣，對每個網(wǎng)格單元體建立編碼和特征，如受力大小，產(chǎn)生的位移變形；j、構成總體剛度矩陣，即將所有網(wǎng)格單元體依據(jù)其編碼和排序，描述整個研究物體的受力和位移變形；k、有限元求解比奧固結方程在研究空間各點上的解，這包括網(wǎng)格單元和網(wǎng)格節(jié)點上受力大小和變形大?。籰、邊界條件滿足否，如果不滿足邊界條件，則返回步驟I，確定單元勁度矩陣；如果滿足邊界條件，則執(zhí)行以下的步驟m，m、計算結點力、位移、孔壓，同時將計算結果返回至步驟f和步驟g進行循環(huán)n、輸出計算結果，結束。
全文摘要
廣義賓海姆軟土流變變形模擬的建立方法是一種用于建筑結構控制變形設計和相關研究的方法，其建立方法如下a.輸入路堤設計參數(shù)；b.輸入復合地基處理參數(shù)；c.網(wǎng)格自動剖分；e.輸入模型參數(shù)；f.路堤荷載增量；g.填筑時間增量；h.比奧固結方程將塑性體與廣義賓海姆體進行耦合；i.確定單元勁度矩陣，對每個網(wǎng)格單元體建立編碼和特征；j.構成總體剛度矩陣；k、有限元求解比奧固結方程在研究空間各點上的解；l.邊界條件滿足否，如果不滿足邊界條件，則返回步驟l，確定單元勁度矩陣；如果滿足邊界條件，則執(zhí)行以下的步驟；m.計算結點力、位移、孔壓，同時將計算結果返回至步驟f和步驟g進行循環(huán)；n.輸出計算結果，結束。
文檔編號E02D27/34GK1609351SQ20041006558
公開日2005年4月27日 申請日期2004年11月24日 優(yōu)先權日2004年11月24日
發(fā)明者繆林昌 申請人:東南大學