广义宾海姆软土流变变形模拟体的建立方法.pdf

广义宾海姆软土流变变形模拟的建立方法是一种用于建筑结构控制变形设计和相关研究的方法，其建立方法如下：a.输入路堤设计参数；b.输入复合地基处理参数；c.网格自动剖分；e.输入模型参数；f.路堤荷载增量；g.填筑时间增量；h.比奥固结方程将塑性体与广义宾海姆体进行耦合；i.确定单元劲度矩阵，对每个网格单元体建立编码和特征；j.构成总体刚度矩阵；k、有限元求解比奥固结方程在研究空间各点上的解；l.边界条件满足否，如果不满足边界条件，则返回步骤l，确定单元劲度矩阵；如果满足边界条件，则执行以下的步骤；m.计算结点力、位移、孔压，同时将计算结果返回至步骤f和步骤g进行循环；n.输出计算结果，结束。

1、  一种广义宾海姆软土流变变形模拟的建立方法，其特征在于建立方法如下：
a、输入路堤设计参数，即堤顶、底宽，堤高、平均容重；
b、输入复合地基处理参数，即处理深度、置换率、土层参数；
c、网格自动剖分；
e、输入模型参数，即输入常规三轴试验的弹塑性单元参数，K₀固结法三轴流变试验的流变单元参数；
f、路堤荷载增量，即某一层路堤填筑高度，等价为作用力即荷载的大小增量；
g、填筑时间增量，即为某一层路堤填筑时间，等价为连续填筑时间的间隔增量；
h、比奥固结方程将塑性体与广义宾海姆体进行耦合，即将弹塑性体与宾海姆极限破坏体通过比奥固结方程建立联系；
i、确定单元劲度矩阵，对每个网格单元体建立编码和特征，如受力大小，产生的位移变形；
j、构成总体刚度矩阵，即将所有网格单元体依据其编码和排序，描述整个研究物体的受力和位移变形；
k、有限元求解比奥固结方程在研究空间各点上的解，这包括网格单元和网格节点上受力大小和变形大小；
l、边界条件满足否，如果不满足边界条件，则返回步骤I，确定单元劲度矩阵；如果满足边界条件，则执行以下的步骤m，
m、计算结点力、位移、孔压，同时将计算结果返回至步骤f和步骤g进行循环：
n、输出计算结果，结束。

广义宾海姆软土流变变形模拟体的建立方法
                               技术领域
本发明是一种用于建筑结构控制变形设计和相关研究的方法。尤其是一种直接应用于土木工程领域的广义宾海姆软土流变变形模拟体的建立方法。
                               背景技术
近几年我国一直在开展大规模的基础建设，如高速公路、铁路等重点工程的建设，在高速公路、铁路建设过程中，不可避免地穿越软土地区，在软土地区修建高速公路、铁路经常会出现很多工程问题，路基沉降变形过大，影响正常通行：桥头、箱涵连接部位行车时出现跳车，涵洞由于沉降，影响水系畅流，存在防洪抗洪隐患。这主要由于软土的变形特性认识不足，或者不能用一个准确的变形模型描述软土的流变变形特性。虽然这方面的研究已取得不少成果，认识软土的流变特性，如马克斯威尔模型只能描述土的应力松弛现象，开尔文模型只能描述土的弹性后效应性质，修正的考马拉-黄模型和宾海姆只能描述土的极限强度，这几种现象都不能准确描述路基变形破坏的过程和现象。因为路基的变形破坏开始是由渐变到突变的过程，开始渐变变形可近似为弹塑性，最后突变是极限破坏现象。
                               发明内容
技术问题：本发明目的是提出一种广义宾海姆软土流变变形模拟体的建立方法，准确描述软土的流变变形特性，以便实现高速公路、铁路的控制变形设计。
技术方案：我国有不少已建设的高速公路和铁路在运营过程中(如拢海铁路连云港段年年修，路基累计沉降最大接近2米)，有的在施工建设过程中就出现变形破坏(如连徐高速公路二期连云港段)，影响工程的正常运转，造成大量的经济损失。为了准确描述路基的沉降变形的特征现象，为工程设计提供可靠理论依据，发明人进行现场调查、室内试验和计算总结分析工程特征现象，路基的沉降变形开始是由渐变到突变的过程，进而提出一种广义宾海姆软土流变模型，能准确地描述软土流变变形的特征现象。
该模型由两部分组合构成，一部分是弹塑性体，描述路堤渐变变形的弹塑性变形；另一部分是广义宾海姆体，描述路堤的流变变形破坏特征。通过比奥固结方程将这两个单元件进行线性组合，并由试验确定相关单元体的参数，建立相关的数值算法，准确描述路堤沉降变形的特征。
该模型的模拟计算，首先对研究的地基与路堤及有关控制参数，包括路堤的高度、路堤上下宽度、平均容重参数和地基的土层分层厚度参数，对研究对象进行网格剖分，再通过常规三轴试验和K₀固结法三轴流变试验获取模型参数，这些参数主要描述土体的弹塑性变形和流变变形特征的试验参数；模拟路堤填筑过程设定荷载增量和时间增量，比奥固结方程将弹塑性体与广义宾海姆模型进行耦合，确定单元体的刚度矩阵和总体刚度矩阵，利用有限元进行数值求解，数值计算得到各节点的应力、位移和孔隙水压力值，最终求出路基的沉降变形。
该模型的建立方法为：
a、输入路堤设计参数，即堤顶、底宽，堤高、平均容重；
b、输入复合地基处理参数，即处理深度、置换率、土层参数；
c、网格自动剖分；
e、输入模型参数，即输入常规三轴试验的弹塑性单元参数，K₀固结法三轴流变试验的流变单元参数；K₀固结法是设定的一种土工试验方法，要求试验的土样所承受的侧向压力与竖向压力的比值等于常数K₀进行变形测试：
f、路堤荷载增量，即某一层路堤填筑高度，等价为作用力即荷载的大小增量；
g、填筑时间增量，即为某一层路堤填筑时间，等价为连续填筑时间的间隔增量；
h、建立比奥固结方程表述土体的变形，将塑性体与广义宾海姆体进行耦合，即将弹塑性体与宾海姆极限破坏体通过比奥固结方程建立联系：
i、确定单元劲度矩阵，对每个网格单元体建立编码，如受力大小，产生的位移变形：
j、构成总体刚度矩阵，即将所有网格单元体依据其编码和排序，描述整个研究物体的受力和位移变形：
k、有限元求解比奥固结方程在研究空间各点上的解(空间各点位置由步骤c网格自动剖分确定)，这包括网格单元和网格节点上受力大小和变形大小：
l、边界条件满足否，如果不满足边界条件，则返回步骤I，确定单元劲度矩阵；如果满足边界条件，则执行以下的步骤m，
m、计算结点力、位移、孔压，同时将计算结果返回至步骤f和步骤g进行循环；
n、输出计算结果，结束。
有益效果：基于这一广义宾海姆软土流变模型，准确描述软土路基变形特征，为确定合理软土地基加固处理的方法提供理论依据，以实现控制变形设计，保证高速公路和铁路安全运营，同时减少因沉降变形失控造成的经济损失，节约大量维修费用，具有明显的经济效益。
                              附图说明
图1是广义宾海姆软土流变变形模拟方法示意图。
图2是计算实例示意图。
图3是广义宾海姆软土流变变形模拟体的建立方法示意图。
                              具体实施方式
本发明的广义宾海姆软土流变变形模拟的建立方法以连徐高速公路连云港段为四车道的高速公路K20+395处为例说明，路堤高5m，路堤顶宽28m，底宽43m，路堤平均容重一般取20kN/m³；软土地基较为单一，软土厚度12m，软土层下面土层也比较单一均匀，搅拌桩的处理长度为12.5m，桩间距为1.2m，置换率为0.157。
a、输入路堤设计参数，即堤顶、底宽，堤高、平均容重；具体数值分别为28、43、5和20；
b、输入复合地基处理参数，即处理深度、置换率、土层参数；具体数值分别为12.5、0.157、4；
c、网格自动剖分；
e、输入模型参数，即输入常规三轴试验的弹塑性单元参数，K₀固结法三轴流变试验的流变单元参数；K₀固结法是设定的一种土工试验方法，要求试验的土样所承受的侧向压力与竖向压力的比值等于常数K₀进行变形测试；取K₀＝0.65(试验得到的)，流变的粘滞参数η＝3.5*10^-5(min^-1)，其余一些参数为试验统计参数；
f、路堤荷载增量，即某一层路堤填筑高度，等价为作用力即荷载的大小增量；路堤高5m，近似分成四次填筑，荷载增量为25kPa；
g、填筑时间增量，即为某一层路堤填筑时间，等价为连续填筑时间地间隔增量；高速公路的修建时间一般为3～4年，计算的时间间隔通常可取20～40天，算例取时间间隔为20天；
h、比奥固结方程将塑性体与广义宾海姆体进行耦合，即将弹塑性体与宾海姆极限破坏体通过比奥固结方程建立联系；
i、确定单元劲度矩阵，对每个网格单元体建立编码和特征，如受力大小，产生的位移变形；
j、构成总体刚度矩阵，即将所有网格单元体依据其编码和特征排序，描述整个研究物体的受力和位移变形；
k、有限元求解比奥固结方程在各个网格单元和网格节点上的解，这包括网格单元和网格节点上受力大小和变形大小；
l、边界条件满足否，如果不满足边界条件，则返回步骤I，确定单元劲度矩阵；如果满足边界条件，则执行以下的步骤m，
m、计算结点力、位移、孔压，同时将计算结果返回至步骤f和步骤g进行循环；
n、输出计算结果，结束。计算结果见附图2。
针对江苏连云港海相软土的固结变形特性、流变特性，建立一种广义宾海姆软土流变体，并将土体弹塑性变形体与广义宾海姆极限破坏体进行有机结合，编制相关的计算软件进行沉降计算，考虑流变的弹粘塑性模型计算沉降量与实测的沉降量比较接近(误差小于10％)，较弹塑性变形体计算的沉降量精度提高了40％以上，成功地应用到连徐高速公路连云港段的二期工程的设计中，同时又将这一研究成果推广应用到汾灌高速公路、连盐高速公路的设计中。