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复合地基三维动力固结过程的数值仿真

张萌,王鹏林

(天津市同盟信息系统集成有限公司,天津300191)

摘要:基于有限元方法建立了复合地基固结过程的动力学模型,该模型包括桩-土相互作用、土壤-孔隙流体材料等非线性

特性。通过子模型和嵌入区域技术降低了计算规模、提高了收敛性,建立了针对此类问题的基本分析流程和方法。

关键词:动力固结;桩-土相互作用;有限元方法;ABAQUS软件

中图分类号:TU473.1文献标识码:A

NumericalSimulationofDynamicConsolidationProcessof

Three-DimensionalCompositeFoundation

ZHANGMENG,WANGPENGLIN

(TEAMInformationSystemIntegrationCo.,Ltd,Tianjin300191,China)

Abstract:BasedonFEA(FiniteElementAnalysis)methodtocreatedynamicsmodeloftransientconsolidationprocessofcomposite

foundation.Thismodelincludessomenon-linearcharacteristics,likepile-soilinteraction,soil-porefluidmaterialandsoon.Use

submodelandembeddedregiontechnology,toreducethesizeofcalculateandimprovetheconvergenceofthismodel.Analysismethod

andprocessaimatthisproblemisestablished.

Keywords:TransientConsolidation;Pile-SoilInteraction;FiniteElementMethod;ABAQUSSoftware

0引言

随着我国基础建设能力的不断发展,许多与岩土工程相关的问题需要考虑更周全的影响因素,进行更合理的

分析预测。例如复合地基沉降中涉及的桩-土相互作用、岩土材料塑性本构、多孔介质的渗流场、半无限计算区域

等方面的影响都需要详细计算。但是在有限元模型中同时包含这些非线性因素将会引起收敛困难。所以在实际应

用中,受到计算资源的限制,往往会将其中一些条件忽略或者简化为线性。而这些忽略或简化的条件对计算结果

的影响却难以评估。

因此通过一个典型复合地基固结过程的算例,建立了针对此类问题的多步计算策略。可以在较小的计算规模

下,将前面提到的种种非线性因素纳入有限元模型当中。

1规划计算策略

1.1问题描述本例中路基的长度相对其宽度足够长,且相关的地质条件沿中线不变化。但是地基采用CFG桩

-盖板结构加强,导致路基沿中线的应力分布不均匀,不能简化成二维平面应变模型,必须建立如图1所示的三维

模型。为了简化计算,只取典型段的四分之一部分加以研究。

CFG桩-盖板

结构

应力集中

区域;关心的

区域

图1复合地基几何模型

1.2半无限计算区域岩土工程问题中土体的边界是趋于无限远的。使用有限元方法计算时,计算区域大小必

须有所限制,因此需要将土体边界人为截断。对于本例中土质较软的地基,可以使用增大土体边界的方法。将土

体范围取到5-10倍应力集中区域的大小,用来模拟应力波和孔隙水压力在土体中的消散。尤其在渗流-变形耦合

分析中,孔隙水压力边界对计算结果有着重要影响,因为根据土力学中有效应力理论土体中某点总应力?的计算

方法如下[1]:

???????(1-1)

u

f

式中:??——土骨架所承担的有效应力

?——系数,通常由试验确定。在ABAQUS软件中假定??s,即饱和度。

u——孔隙水压力

f

??

?111000?T

因此孔隙水压力边界不精确,得到的应力结果将出现误差。在其他半无限计算域的处理方法中(例如:施加

粘滞边界或边界元方法)无法精确的对应力波或孔隙水压力消散过程进行模拟并且其中很多参数不易确定。

1.3桩-土相互作用为了精确计算沉降量和地基承载力必须考虑桩-土之间的接触作用。有限元方法处理接触

时,需要接触面两侧的网格尺寸尽量一致。接触单元的尺寸差异过大会导致计算误差增大,收敛性下降。

由图1可见增大土体边界后,CFG桩与土体的几何模型尺寸差异很大。如果让二者网格尺寸一致,则会

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