【《湖区高速公路软基路段路基沉降分析案例》4900字】

湖区高速公路软基路段路基沉降分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18072湖区高速公路软基路段路基沉降分析案例 1237521.1有限元法的说明 1246861.1.1有限元法概述 118641.2Plaxis软件介绍 1122921.2.1Plaxis功能和特点 215101.2.2Plaxis建立分析模型过程 3236031.3有限元模型的建立 4145611.1.1几何模型的确定 435241.1.2网格划分 6289981.1.3创立初始边界条件 7305741.1.4施工模拟过程 734251.4基于有限单元法的软基路段路基沉降分析 81.1有限元法的说明1.1.1有限元法概述有限元数学分析法模型作为一种基于有限变分变换原理的新型数学分析模型，以有限差分法的连续离散性分析作为主要的数学分析方法，解决了电子工程设计中的各种连续性分析问题，最终我们可以直接得到一种数值式的分析。有限元法的一个重要核心概念构造论和思想就是将连续体的每个单元积分进行了代数离散化，通过在这个离散阶段中对其他连续体的每个单元积分进行代数积分，最终把需要解决困难的代数微分方程转化成简单的单元代数微分方程。1.2Plaxis软件介绍Paxis这是一款专门为用户针对中国岩土及地层学相关领域所进行研究的一种有关岩土变形及结构分析的二维图像软件。主要研究适用于:深层大坝基坑和软土施工场地环境之间的相互影响分析关系、地下软土工程和周围相邻深层建筑物之间的相互影响、地下软土工程和大面积软土工程地基的深层固结、沉降应力问题、水位对深层大坝结构稳定性的影响研究、震动较大条件下对周围深层建筑物的抗震流体动力学影响分析、边坡结构加固时的安全性和稳定性影响分析等。Plaxis材料分析计算软件因其自身具有的应用针对性、功能性的全面性、计算的准确高效率等四大特征早已得到了当今世界广大范围内各地区及人们的广泛高度重视和普遍认可，逐渐逐步发展起来成为了化学工程中所非常需要的一种有限元材料分析计算工具，在美国欧洲大多数国家地区、新加坡、中国香港等国各地都已经有着相对广泛的实际应用。1.2.1Plaxis功能和特点（1）图形输入与网格生成图形模型输入：基于简单的CAD图或其他各种图形的模型制作输入接口，几何图形模型的输入建立方便快捷，对于应用土工建筑结构设计模型的各种土工相关模型资料图形输入方便操作简单。因此，例如，边界设定条件、所使用需要的材料施加应力荷载和所用合成材料的其他参数都已经是一个可以通过详细地进行输入，从而将其建立统一起来的现在几何数学模型就已经能够直接进行了对有限元素和网格的详细划分。网格自动划分生成：Plaxis在我们需要进行二维图形网格的自动划分时，可以将一些不是非非常结构化的二维图形平面自动地对其进行了二维网格的自动划分，并且我们可以在其网格生成的整个过程中，对二维平面的一些整体和各个局部都自动进行了实时优化和自动调整。（2）单元高阶单元：Plaxis软件具备6个节点的二阶三角形单元以及15个节点的四阶三角形单元来对土体进行应力-变形的分析。（3）模型类型摩尔-库仑模型：简单易懂非常实用以及其他一些涉及到测量参数不大的非线性工程模型广泛应用于大型建筑工程中。改进的岩土模型：重新增加了岩土强化性和岩土板块模型的双方向曲线状态和弹塑性岩土模型；以便于正确地进行模拟正常的热凝固结软土和时间有关的对数压缩特性的蠕变模型；对岩土世界的物体和材料作用进行了各向差别的特征分析用户自定义模型：材料使用者同时可以通过用户自主选择学习和自行研究,自己进行设计或者编制任何材料中的模型。（4）稳态孔压土中孔道压力分布的多样性可以用对水位线进行设定或者是直接给出压力数值的方式来实现，从而满足该模型的要求。（5）超静水压Plaxis将土层分为两种排水类型和非排水类型，模拟时根据不同类型土层的渗透率等因素来对其类型进行选取，当在不具有排水能力的土层时往往可能产生一种超静水的压力。（6）自动加载步长Plaxis程序可以利用自己能够适应的步长运算系统的特点，在其加载时会自动地为该模型执行一次加载任务。且对于其计算的过程和结果具有一定的保证。（7）分步施工原理主要是通过激活和约束各个单元的组件、实际荷载和地下水位的改变，对实际对工程在施工时对土中的各种应力及其产生的应变情况进行了模拟，可以有效地分析出混凝土中的各种应力及其产生的变化。（8）固结分析主要特点就是随着空气流动的时间增长，在土中发生的超静水压力计算数值逐步减少。通过不同层次的土层参数以及自适应的时间步长方法，计算和分析后的结果是否稳定。1.2.2Plaxis建立分析模型过程在使用Plaxis对一项实际工程进行数值模拟分析时，需要经过的主要流程如下：（1）建立几何模型。基于点、线的输入，将模型的尺寸、土层尺寸进行绘制；（2）材料参数输入及属性定义。输入材料的采用的模型、排水条件、透水系数、模量等参数值。将各层土的参数定义到相应的几何模型中；（3）创建网格。利用网格生成器对模型进行简单的有限元网格划分，网格划分时可以调整网格划分的疏密程度；（4）初始条件。根据实际工程中，对模型设置水位线，并结合施工工况对模型设定边界条件；（5）计算。计算时采用分布施工，并定义每层土的填筑时间以及时间间隔，直至小于最小孔压默认值1；（6）结果分析。模型分析结束后可以直接观看并生成应力、变形等，所有结果以等值线、云图、图形、表格等形式输出。基于Plaxis软件的强大的功能性和计算的稳定性，本文将利用Plaxis对常德市软土地基进行一系列的数值化模拟和分析。现阶段尽管有限元数值模拟与实际工程的应用之间存在着一定的误差或者是一点距离，但我们仍然可以考虑通过有限元数值模拟计算机的技术与其他符合当地施工实践的经验技术手段相结合，通过不断的分析和研究，逐步减少了计算机与实际工程的时间差距，使有限元数值模拟高效、稳定、准确地针对实际的工程量而设计出具体的施工方法。1.3有限元模型的建立在Plaxis中需要建立的模型主要有两种，即几何模型和有限元模型，几何模型与有限元模型之间的主要差异就是因为几何模型并不是一个简单地定义了各个单元的属性及对其所做的网格分类，Plaxis需要在进行数据分析时，必须将这些几何模型直接转换为有限元模型方式，这样才能够进行计算和分析。1.1.1几何模型的确定（1）模型尺寸的选择常德市安乡至慈溪公路建设工程，路基的宽度为24m，边坡坡度为1:1.5，路基高为4米，使用分层填筑并碾压，每层填筑高度为1m。基于路基的对称性，建立模型时取路基一侧进行模拟，为尽可能消除边界对计算结果的影响，地基宽度取60米，深度40米。（2）节点选择Plaxis采用有限元应力数值分析模拟进行分析时，其中一般有6个流体节点和15个流体节点角度三角形计算单元两种计算方法方式可供用户选择，一般的两种情况下均有的是选择采用比传统计算结果更为精确的15个流体节点角度三角形计算单元，其中各每个节点与流体应力的数值分布点数及位置关系如下图9所示。图9Plaxis节点和应力点分布（3）基本假定条件使用三维立体模型，需要对模型设置基本假定条件。1）软土层采用soft-soil模型，砂土和路基采用Hardingsoil模型，桩基均采用线弹性的理想模型；2）模型的前后两侧均应设置为透水边界条件，上下两侧设置为透水界面条件，最左侧设置为不透水界面，最后测设置为透水界面。且水平方向应受到限制；3)底部是透水的边界，对于水平、垂直两个方向位移也有一定的约束[17]。（4）模型参数根据实际情况需要对地基进行抛石挤淤等处理道路工程勘查报告，地基土层主要包括砂土、淤泥质粘性土和粉质黏土三种结构材料，3种结构材料的相关计算参数详见表2所示：参数淤泥质土砂土粉质粘土材料模型软土硬土软土排水类型不排水的排水的不排水的天然重度141715饱和重度182019水平渗透系数707.12870竖向渗透系数137.12813纵向渗透系数177.12817弹性模量192050302000泊松比0.350.350.35内聚力2118内摩擦角302733剪胀角000表2路基材料相关计算参数创建好有限元几何模型后必须生成有限元模型，此时需要对所创建的几何模型进行属性定义。Plaxis软件的属性主要是土层的属性定义。路基有限元模型如图所示，图10路基有限元模型1.1.2网格划分网格的划分过程就是一个结构非常离散化的过程，它是建立一个有限元模型的一个关键步骤，它的核心理念就是网格的离散性、以有限取代无穷，网格的划分方法和形式将会对模型进行计算产生直接的影响。再次在进行网格的划分时一定要严格按照网格的疏密性、以及网格的质量和数目来进行。Plaxis软件可以作为自动制造和生成一个网格。该网格分类图如下图所示。图11有限元模型网格划分1.1.3创立初始边界条件初始性条件，是一种泛化法，它是指在微分方程中，未知的函数需要在初始性时刻满足的一种条件。边界性数学条件，是一种数学泛函，它们是指在我们求解一个特定区域的某一边界上时所需要同时求解的一个边界变量或它们的一个导数可能会同时伴随着一个时间、地点而发生变化的数学规律。只有把初始化的条件和边界上的条件相互叠加到一起，才能形成一个现实化问题的数学模型。在边界条件被确定后,其中的计算方程式才真正能够用来进行求解，对于实际的工程问题，都是应当具有自己相应的边界条件。在进行有限元模拟的过程中，边界条件的取值或者是处理的结果，都会对整个模拟计算的结果造成直接影响。而在我们求解微分方程时，必须要有一定的约束限制或者是条件。而这些如此类的约束限度等附加条件就被称为订立定解。Plaxis软件中需要对模型设置出水位曲线以及测量模型周围边界的透水度条件。1.1.4施工模拟过程在对各种固结计算方法结果进行综合计算的操作过程中，我们往往需要首先对其引入一种相应的综合时间计算参数，在对各种固结计算方法结果进行综合分析时，为了大大提高其综合计算方法结果的分析精度和计算准确性，必须合理地通过选择适当的一种时间参数步长对其参数进行综合计算，假如我们所需要选择的这种时间参数步长远远地要小于最低临界应力值或短时间内的步长，很大地有可能就必然会使其产生较大的固结应力或者振荡。这是Plaxis程序内部的一个固结时间计算器就是说它可以充分自动地通过选择它来计算临界时间的最小步长，并且可以充分考虑并达到了最小的临界时间值。时间和施工步长的直接选择主要考虑有三个基本的施工可能性：在预先激活设置好模型定义的一个施工步数时间段内对其模型进行直接固结，包括直接考虑到被预先激活的一个几何物体形态值的变化对其模型造成的直接影响(也意即是否分步进行施工)；直接实施一个固结过程直到将一个模型内的所有超静态的水压值都降低或达到零或减小到一个事前预先设置的水压最低值(也意即一个预定的孔压)；或者在一个模型给定的施工步数内对其模型进行直接实施连续性的固结，此时就可能会直接使用一个直接增量加载乘子或者者说是直接加载一个比例乘子来直接使得一个整体模型随施工时间而自动增加一个荷载(即是一个增量加载乘子)。本文模拟只考虑前两种可能性，其模拟步骤如下：堆载：第一步，采用基层固结材料分析，分布式方法施工，激活第一层建筑路基所需要堆积承载的第一层路基土体；第二步，采用固结分析，分布式方法进行施工，设定的时间区域和间距；第三步，采用基层固结材料分析，分布式方法施工，激活第一层建筑路基所需要堆积承载的第二层路基土体；第四步，采用固结分析，分布式方法进行施工，设定的时间区域和间距；第五步，采用三层固结材料分析，分布式方法施工，激活第三层建筑路基所需要堆积承载的混凝土体；第六步，采用固结分析，分布式方法进行施工，设定的时间区域和间距。1.4基于有限单元法的软基路段路基沉降分析以下是根据不同状态下的路基沉降所得出的沉降的示意图：图12--排水板图13--未处理图14--管桩图15--堆载1.4.1路基沉降分析由图可知，没有处理过的软土地基，最大的沉降为0.8996米，加入管桩和排水板之后，沉降分别减小到0.7149和0.8295米。由此得到以下结论：加入排水板和管桩的路基沉降明显减小。塑料排水板图16软基沉降变化图（排水板）由图可知，随着塑料排水板的长度增加，软土的排水固结速度增快，并且沉降位移值逐渐减小。排水板长度为20米时最大的沉降位移为-0.641m，排水板长度为15米时最大的沉降位移为-0.656