一种基于有限元混合插值的土石坝碎石桩地基性态仿真方法与流程

：本发明涉及一种基于有限元混合插值的土石坝碎石桩地基性态仿真方法，属于土石坝碎石桩地基分析。

背景技术

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背景技术：

1、我国东南沿海和内陆平原地区广泛分布着天然含水量高、孔隙比大、渗透系数小、抗剪强度低的软土，由于其沉降量大、沉降时间长、承载力低等特点，无法直接建设建筑物，需要处理软弱的地基，提高地基的承载能力。碎石桩地基处理方法在土木水利工程中的应用有着较长的历史，是一种经济有效、便于施工的地基处理方法，能够进行地基加固，减小沉降变形、加快软土固结过程。由于土石坝的沉降大小关系着整个大坝的施工运行安全，软土地基沉降对土石坝的影响将不可忽略，研究土石坝碎石桩地基性态是保障土石坝安全建设运行不可回避的问题。由于土石坝地基通常范围较大，地形地质较为复杂，而碎石桩尺寸相对很小，且数量众多，难以使用传统的计算方法对包含碎石桩的地基进行精确的建模分析。因此开展土石坝碎石桩地基分析方法研究具有重大意义。

2、目前，针对碎石桩地基通常采用单桩理论分析法、群桩简化理论分析法、复合地基等方法。单桩理论分析法以准确描述桩体和土体间的相互作用为目的，但通过解析解进行计算，难以模拟大范围复杂地基情况，针对大量碎石桩也存在计算难度。群桩简化理论分析法将桩和加固土体均质化，形成了加固层和下卧层的双层复合体进行解析解计算，但难以精确模拟碎石桩地基的固结沉降过程。复合地基方法通过一定的假设把碎石桩地基等效成均匀材料，可以采用有限元法等进行求解，工程规范中广泛采用的方法是基于面积置换率将碎石桩和地基土的模量加权平均得到复合地基的等效模量，这种方法不能合理考虑桩土相互作用、无法考虑各向异性，难以反映局部位置的固结沉降变化等缺点。

3、综合目前的研究，土石坝碎石桩地基分析实际上有三个方面的问题有待进一步完善：1、建立能有效地反映局部位置的固结沉降变化过程的土石坝碎石桩地基仿真模型；2、建立具有普适性的简化土石坝碎石桩地基模型，与采用精细化仿真模型相比，通过简化碎石桩地基模型以达到相近的效果；3、能够考虑桩和土的非线性模型和biot固结理论，令计算结果更符合实际情况。

技术实现思路

1、本发明的所要解决的技术问题是针对背景技术的缺点，提供一种基于有限元混合插值的土石坝碎石桩地基性态仿真方法，能方便快捷地构建包含碎石桩的地基模型，较为精确地计算在外荷载作用下的固结沉降过程并反映碎石桩影响区域的局部固结沉降变化。

2、本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

3、步骤1给定土石坝地基范围、地质信息和碎石桩布置方案；

4、步骤2根据土石坝地基范围、地质信息，建立土石坝整体有限元模型；

5、步骤3根据步骤2的结果，按照碎石桩在地基内的分布，将碎石桩实体单元插入地基单元内，并计算碎石桩实体单元与地基单元的位移、渗流插值关系；

6、步骤4根据步骤3的结果，计算引入碎石桩的弹性模量、渗透系数的biot固结方程时间离散后的整体刚度矩阵和方程右端项；

7、步骤5根据步骤4的结果，求解包含碎石桩的土石坝大范围地基biot固结方程。

8、上述步骤3中将碎石桩实体单元插入地基单元内，计算碎石桩实体单元与地基单元的位移、渗流插值关系具体过程为：

9、(1)根据各个碎石桩的圆心在整体地基中的位置的深度，确定插入预设杆单元的坐标；

10、(2)根据各个碎石桩的半径，设定桩在半径方向和圆周方向的有限单元剖分份数，围绕预设杆单元自动生成实体单元；

11、(3)根据自动生成碎石桩实体单元的各结点坐标，以碎石桩单元结点到各地基单元的距离为依据，划分碎石桩各单元结点所属的地基单元；

12、(4)将碎石桩单元结点与对应地基单元的结点坐标映射到等参单元内，根据形函数计算碎石桩单元结点在地基单元内的位移、渗流插值系数值。

13、上述步骤4中计算引入碎石桩的弹性模量、渗透系数的biot固结方程时间离散后的整体刚度矩阵和方程右端项具体过程为：

14、根据碎石桩单元结点在地基单元内的位移、渗流插值系数值，将碎石桩的弹性模量、渗透系数通过插值系数累加到对应的地基单元结点自由度的单元刚度矩阵和单元荷载矩阵上，并重新组装为整体刚度矩阵和右端项，推导公式为：

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23、式中，δt为时间间隔；为位移、渗流基本未知量，

24、为位移、渗流对时间的导数；un、pn为位移、渗流，上标s为引入碎石桩插值关系的纯地基位移、渗流未知量；k为刚度矩阵；q为耦合矩阵；h为渗透矩阵；s为压缩矩阵；代表了第n+1步的固相结点荷载，包含体力、边界牵引力和约束边界值；代表了第n+1步的液相结点荷载，包含体力和边界条件；β、θ为newmark参数；ru、rp分别为位移和渗流的插值系数矩阵；为引入碎石桩插值关系的刚度矩阵；为引入碎石桩插值关系的耦合矩阵；为引入碎石桩插值关系的渗透矩阵；为引入碎石桩插值关系的压缩矩阵；代表了第n+1步的引入碎石桩插值关系的固相结点荷载；代表了第n+1步的引入碎石桩插值关系的液相结点荷载。

25、本发明采用上述技术方案具有如下有益效果：

26、本发明考虑了土石坝大范围地基内使用大量碎石桩处理地基对地基整体和局部的影响，能方便快捷地构建包含碎石桩的地基模型，较为精确地计算在外荷载作用下的固结沉降过程并反映碎石桩影响区域的局部固结沉降变化。

技术特征：

1.一种基于有限元混合插值的土石坝碎石桩地基性态仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于有限元混合插值的土石坝碎石桩地基性态仿真方法，其特征在于，步骤3中将碎石桩实体单元插入地基单元内，计算碎石桩实体单元与地基单元的位移、渗流插值关系具体过程为：

3.根据权利要求1所述的基于有限元混合插值的土石坝碎石桩地基性态仿真方法，其特征在于，步骤4中计算引入碎石桩的弹性模量、渗透系数的biot固结方程时间离散后的整体刚度矩阵和方程右端项具体过程为：

技术总结
本发明提供一种基于有限元混合插值的土石坝碎石桩地基性态仿真方法。本发明按照碎石桩在地基内的分布，将碎石桩实体单元插入地基单元内，并计算碎石桩实体单元与地基单元的位移、渗流插值关系；计算引入碎石桩的弹性模量、渗透系数的Biot固结方程时间离散后的整体刚度矩阵和方程右端项，求解包含碎石桩的土石坝大范围地基Biot固结方程，从而建立了一种基于有限元混合插值的土石坝碎石桩地基性态仿真方法。本发明考虑了土石坝大范围地基内使用大量碎石桩处理地基对地基整体和局部的影响，能方便快捷地构建包含碎石桩的地基模型，较为精确地计算在外荷载作用下的固结沉降过程并反映碎石桩影响区域的局部固结沉降变化。

技术研发人员：刘乾坤,李同春,李建国,袁力,何顺福,汪菲,邹甫伟,肖风成,李新
受保护的技术使用者：中国电建市政建设集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15