[发明专利]模拟大变形连续贯入过程的混合网格有限元分析方法

说明书

本发明涉及一种模拟大变形连续贯入过程的混合网格有限元分析方法，包括步骤：对贯入构件和待贯入土体建立有限元模型，将该土体的有限元模型划分为采用总应力法的近构件区域以及采用有效应力法的远构件区域；获取远构件区域的有效应力土体参数，基于处于弹性变形阶段的各向同性土体的剪切和体积效应同时在总应力法下以及有效应力法下解耦的假定，根据该有效应力土体参数推导出近构件区域的总应力土体参数；根据该贯入构件和该土体的有限元模型以及该有效应力土体参数和该总应力土体参数对大变形连续贯入该土体的过程进行有限元模拟。本发明可以同时解决饱和软土中贯入构件连续贯入有限元模拟中发生的网格畸变问题以及孔隙水压力效应问题。

技术领域

本发明涉及建筑工程领域，特别涉及一种模拟大变形连续贯入过程的混合网格有限元分析方法。

背景技术

在岩土工程领域，对饱和软土中管桩的连续贯入过程进行有限元模拟时，面临着土体模型网格过大变形产生网格畸变问题。目前，处理大变形连续贯入问题的常用有限元方法主要分为三类：

(1)Lagrangian方法。该方法采用有效应力形式的有限元模型，可以考虑孔隙水压力效应的影响，但无法解决土体大变形带来的网格畸变问题，需与圆孔扩张理论、预钻孔桩或者套管法相结合，进而有限地解决网格畸变问题。但是，圆孔扩张理论的缺陷在于该方法不能体现桩的下沉机理，并且不能考虑动力下沉特性；采用预钻孔桩的缺陷在于该方法只能计算出较小的桩下沉深度，且不能较好地模拟土体的动力响应；套管法的缺陷是刚性管的存在导致桩底两侧土体的移动被限制，将影响桩-土相互作用机理。

(2)ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法。虽然处理大变形的能力强于Lagrange方法，但由于该方法采用总应力形式的有限元模型，忽略了孔隙水压力效应的影响，而且该方法网格无法劈裂，仅适用于闭口桩型，为避免从地表贯入时模型网格的变形过大，通常预设一定的初始埋入深度，并采用“拉链法”以模拟连续贯入过程，即在桩尖处设置贯穿桩体和土体模型的极细的无摩擦刚性管，但由于刚性管的存在阻碍了桩尖下部两侧土体的移动，影响了桩-土间的相互作用机理。

(3)CEL(Coupled Eulerian-Lagrangian)方法。尽管该方法彻底克服了网格大变形问题，可适用于各种桩型的贯入模拟，但该方法也是采用总应力形式的有限元模型，忽略了孔隙水压力效应的影响，而且该方法仅适用于三维模型，且需要在土体边界的上部设置部分空网格(不分配材料)以模拟土体表面的隆起现象。

相较于砂土中管桩连续贯入作用主要体现在土体变形，对于饱和软土，管桩连续贯入作用还体现在贯入阶段土体超孔隙水压力(EPWP)的生成以及贯入结束后EPWP的消散，不仅会威胁桩周一定范围内建(构)筑物的安全，还会改变临近土体的有效应力状态，从而影响贯入阶段自身贯入阻力以及贯入结束后桩基承载力时效。因此，在对饱和软土中管桩连续贯入过程进行有限元模拟时，除需要解决土体大变形引起的网格畸变问题，还需要考虑孔隙水压力效应，在这种情况下上述任一方法均无法满足实际要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种模拟大变形连续贯入过程的混合网格有限元分析方法，可以同时解决饱和软土中贯入构件连续贯入有限元模拟中发生的网格畸变问题以及孔隙水压力效应问题。

本发明通过如下方案来实现：一种模拟大变形连续贯入过程的混合网格有限元分析方法，包括步骤：

对贯入构件和待贯入土体建立有限元模型，将所述土体的有限元模型划分为采用总应力法的近构件区域以及采用有效应力法的远构件区域；

获取远构件区域的有效应力土体参数，基于处于弹性变形阶段的各向同性土体的剪切和体积效应同时在总应力法下以及有效应力法下解耦的假定，根据所述有效应力土体参数推导出近构件区域的总应力土体参数；

根据所述贯入构件和所述土体的有限元模型以及所述有效应力土体参数和所述总应力土体参数对所述大变形连续贯入所述土体的过程进行有限元模拟。