[发明专利]一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术

说明书

本发明公开了一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术，具体包括以下步骤：利用有限元软件建立多层加筋的桩承式路堤数值模型，对多层加筋体的工作机理进行计算分析；基于加筋垫层中各层加筋体的应力应变分析结果，优化加筋垫层内各层加筋体的强度等级，指导桩承式加筋路堤的精细化设计。本发明深入研究了加筋垫层中各层加筋体的协同承载机理，能保证充分发挥各层加筋体的强度，且有效控制路堤的竖向和水平位移，一方面可维持桩承式加筋路堤的长期稳定性，另一方面又可避免因多层加筋体的不合理设计造成的材料浪费。

技术领域

本发明涉及路基工程计算机辅助设计技术领域，属于一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术。

背景技术

在桩承式加筋路堤中，由于桩体和桩间软土的刚度存在较大差异，在路堤自重作用下，桩间软土地基上部路堤填土相对于桩帽上部的路堤填土会产生较大的差异沉降，导致铺设于路堤底部的水平加筋体向下弯曲，产生张拉应力。同时，软土地基上部路堤填土的侧向推力作用使水平加筋体产生限制路堤侧向变形的约束力，一部分路堤填土荷载将通过水平加筋体传递至桩帽，这被称为“拉膜效应”。加筋体的“拉膜效应”对保证桩承式路堤的长期稳定性具有重要意义。

单层布置和多层布置是桩承式加筋路堤中加筋体的两种常见布置形式，多层布置则通常采用强度较低的加筋体。相对于单层加筋垫层，多层加筋体能使作用在软土地基表面的竖向应力分布更加均匀，且明显地减小了作用在桩间软土中心点的竖向应力，更有利于控制路面的差异沉降。然而，目前对于多层加筋体的设计并未考虑到各层加筋体受力及变形特性的差异，导致上层加筋体的强度得不到充分发挥，而下层加筋体强度又不足。因此，这一方面造成了加筋材料的浪费，另一方面不利于控制路堤的沉降和水平变形。

针对现有桩承式加筋路堤多层加筋体设计方法存在的不足，亟需研发一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术，通过数值模拟的方法分析多层加筋体的工作机理，得到加筋垫层内部各层加筋体强度的优化组合方案，作为软土路基工程设计方案优化的指导依据。

发明内容

本发明针对桩承式多层加筋路堤现有设计方法的不足，提出了一种基于数值模拟的桩承式路堤多层加筋体加固技术。为实现该技术，本发明采用了如下技术方案：

（1）依据桩承式多层加筋路堤典型断面的设计图纸，应用有限元软件对路堤、加筋垫层、桩体和软土地基进行模拟仿真，建立桩承式多层加筋路堤三维有限元模型；

（2）对步骤（1）所述的三维有限元模型进行静力学分析，得到加筋垫层中各层加筋体拉应力、应变的分布规律，并明确各层加筋体拉应力、应变的比值分布范围；

（3）根据步骤（2）确定的各层加筋体拉应力、应变的比值分布范围，通过增大下层加筋体的强度等级，降低中、上层加筋体的强度等级，优化加筋垫层中各层加筋体的强度等级。

上述建立桩承式多层加筋路堤三维有限元模型的具体步骤如下：

① 所述路堤、桩体和软土地基均采用C3D8单元进行模拟，按实际截面属性建模，并将路堤、桩体和软土地基划分为均匀的正方体网格；

② 所述加筋垫层由碎石垫层和多层加筋体组合而成，碎石填料采用C3D8单元进行模拟，加筋体采用M3D4单元进行模拟，全面考虑碎石填料和加筋体的几何尺寸和受力特性；

③ 在步骤①和②所述的桩体和软土地基之间、碎石垫层和多层加筋体之间设置接触，利用“Penalty”函数接触模拟桩和软土地基、碎石垫层和加筋体之间的切向相互作用，利用“硬接触”模拟桩和软土地基、碎石垫层和加筋体之间的法向相互作用。

上述步骤（3）的具体实现方式如下：

① 利用ABAQUS有限元软件建立的桩承式多层加筋路堤三维有限元模型进行分析，计算得到路堤自重荷载作用下各层加筋体拉应力、应变的比值分布范围；