第27卷 第5期2007年10月
文章编号:1671-2579(2007)05-0151-03
中 外 公 路
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MIDAS/Civil在计算路基沉降中的应用
马海燕,童申家
(西安建筑科技大学,陕西西安 710055)
摘 要:该文运用MIDAS/Civil来模拟路基的形状和位移模式,通过有限元分析求得路基沉降量,并与传统计算沉降量的方法进行对比,从而体现利用MIDAS/Civil计算路基沉降量的优越性。运用MIDAS/Civil计算路基沉降在实际工程中已得到初步运用,但还有待实测数据与实测资料对其进行更准确的检验。
关键词:MIDAS/Civil;有限元;路基沉降
1 前言
MIDAS/Civil是为了能够迅速完成对土木结构的
高填路基进行有限元分析,运用MIDAS/Civil来模拟
路基的形状和位移模式,计算路基沉降。对于公路路基沉降而言,计算结果的可靠性主要取决于两个方面:一是分析、计算所选用的模型是否反映实际;二是分析计算所用的模型参数是否准确。
结构分析与设计而开发的土木结构专用结构分析与优
化设计软件,是通用的空间有限元分析软件,可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计。
MIDAS/Civil的主要特点如下:提供菜单、表格、文本、导入CAD和部分其他程序文件等灵活多样的建模功能,并尽可能使鼠标在画面上的移动量达到最少,从而使用户的工作效率达到最高。本文对路基与
2 MIDAS/Civil计算路基沉降与传统
方法的比较
传统计算沉降量的方法有分层总和法、考虑前期
固结压力的沉降计算方法以及根据实测沉降资料推算最终沉降量的方法。与传统方法相比,MIDAS/Civil
(3)根据土体的变形和密实度之间的关系,可以
建立强夯时路基填料夯沉量与压实度增量之间的关系,其中引入了侧向挤出系数。即根据上述关系,通过测出强夯时路基填料的平均夯沉量,估算出路基填料的压实度增量。参考文献:
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路堤的研究[R],2001.
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收稿日期:2007-01-15
作者简介:马海燕,女,硕士.E-mail:mahaiyan815@126.com
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计算路基沉降有以下优点:
(1)分层总和法计算一次只能算得路基或地基中一点的沉降量,计算另一点时需要重新列表计算,而MIDAS/Civil利用有限元分析原理,一次建模运算可求得模型中各个点的竖直、水平沉降量、反力,还可得出位移等值线图等。
(2)传统方法大都利用土的孔隙比计算沉降量,根据应力在e-p曲线中查得孔隙比,但在查表过程中存在很大的人为误差,MIDAS/Civil建模时只需定义土体回弹模量、泊松比等参数,从而减小了人为误差。
(3)据实测资料推算最终沉降量的方法需要有大量的实测沉降资料,还要绘制沉降与时间关系实测曲线,不仅需要大量的人力和物力,而且也存在很大的误差。
n
σz=(0.2～0.1)
i=1
γH∑
i
i
,基底至该深度的距离
即为有效压缩层厚度Z。
3取b=5m,H=6m,n=1∶1.5,γ1=18kN/m,333
γγγ2=18.5kN/m,3=19kN/m,4=16kN/m时,
γ计算得Z=30m(γ3,4两层土在地下水位以下)。4.1 运用MIDAS/Civil建模
本例中地下水位在地下2m处,地下水的存在使得地基土体的回弹模量减小。地基两侧侧向位移,行车方向水平位移受约束。
(1)MIDAS/Civil建立模型时的材料参数(表1)
表1 材料参数表土层路基
回弹模量/MPa
4015109
泊松比
0.350.350.350.35
线膨胀系数
6.0×10-54.5×10-54.5×10-54.5×10-5
密度/
g・cm-3
1.801.851.901.60
3 MIDAS/Civil建立有限元模型采用MIDAS/Civil所提供的实体单元来模拟路基,这种实体建模方法能够直接描述模型的几何边界、形状和几何尺寸等几何特性。有限元划分采用空间六节点单元和空间八节点单元,每个节点有3个沿着X、
Y和Z方向平移自由度和3个转动自由度,以数学的
地基第1层地基第2层地基第3层
(2)MIDAS/Civil建立单元
实体模型均由关键点、线、面和体组成。MIDAS/Civil建立单元时先输入节点,然后根据这些关键点确
方式表达结构的几何形状,并在几何模型中填充节点
和单元,还可以在几何模型边界上施加荷载,几何实体模型并不参与有限元分析,必须进行网格剖分以生成有限元分析模型进行求解。
定更高级的图元(线、面、体);线以关键点为端点,面以线为边界,体以面为边界,输入单元时在话框的材料目录表中选择相应的材料即可。
(3)有限元划分
利用六面体单元(八节点)划分结构,可以得到较为精确的位移及应力的分析结果;利用四面体(四节点)或三棱柱(六节点)单元划分结构,虽然可得到较精确的位移分析值,但得到的应力值的计算误差较大。所以为了得到较精确的分析结果,通常采用六面体单元作为结构的主单元,利用四面体单元或三棱柱单元作为调解用不同尺度划分结构时的过渡型单元。
(4)MIDAS/Civil确定模型边界条件
自由度约束:在整体坐标系或在节点坐标系上的每一个节点都可以输入6个方向的自由度约束条件,即:①DX:整体坐标系上X轴方向的位移;②DY:整体坐标系上Y轴方向的位移;③DZ:整体坐标系上Z轴方向的位移;④RX:整体坐标系上沿X轴的旋转位移;⑤RY:整体坐标系上沿Y轴的旋转位移;⑥
RZ:整体坐标系上沿Z轴的旋转位移。
4 路基沉降实例分析
路基与地基拟建尺寸如图1所示,路基填高H,边坡坡度n,路基宽度2b,地基高度Z,地基宽度取路基底部宽度的3倍,行车方向无穷大,本例中取单位长度1m。地基分3层如图1所示,底部两层在地下水位以下。通过规范推荐公式计算地基高度即计算地基有效压缩层厚度。当地基中某深度处附加应力为自重应力的10%～20%时,即满足:
图1 路基模型
(5)MIDAS/Civil确定模型荷载
MIDAS/Civil中为进行各种结构分析而需输入荷
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载类型,由于本文只考虑路基与地基的自重荷载,不考虑行车荷载,静力荷载只输入单元的自重。
(6)运行分析
MIDAS/Civil装有多种多样的有限元,可以对所有的建筑物进行线性和非线性分析。在分析功能方面,由于内存设计所需的多种优秀的运算原理,故可计算出十分适用且精确的分析结果。
(7)计算结果
通过MIDAS/Civil运行分析计算路基沉降,节点编号如图2所示(由于篇幅所限,只给出部分典型节点计算结果)。
来计算路基沉降是一种可靠且可行的方法,而且具有灵活、简便的优点。4.2 计算结果分析与结论
本文按给定参数计算沉降的同时,变换了不同参数的值得出以下结论:
(1)路基或地基土体回弹模量减小,其他参数不变的情况下沉降量增大,且地基回弹模量比路基回弹模量对沉降量的影响大;当路基回弹模量增大时,路基边坡各点的水平位移减小。
(2)路基高度增加,其他参数不变时则相应的有效压缩层厚度增加,沉降量增大。
(3)路基填土容重增大,其他参数不变时,计算的有效压缩层厚度增加,沉降量增大,且路基填土容重对沉降量影响比较显著。
(4)地基土体容重增大,其他参数不变时,计算的有效压缩层厚度减小,沉降量减小。
(5)路基边坡坡度增大,其他参数不变时,计算的有效压缩层厚度减小,沉降量减小,但边坡坡度对沉降量的影响不很明显。
图2 路基模型节点编号图节点号=5(沉降量最大值点)
水平位移DX=5.mm,沉降量DZ=728mm节点号=8(与5号点对称)
水平位移DX=-5.mm,沉降量DZ=728mm节点号=102(路基顶部中点)
水平位移DX=0,沉降量DZ=711mm节点号=567(路基底部中点)
水平位移DX=0,沉降量DZ=703mm
MIDAS/Civil运用有限元理论计算路基沉降优点
5 结语
目前在我国公路建设中普遍存在路基沉降现象,计算沉降量是面临的主要问题,运用MIDAS/Civil来计算路基沉降方法简单、便捷,在工程实例中已得到初步运用,但还需经过更多的实测值来检验。
在于可以精确计算路基与地基划分单元后各个点的沉降量,而且可以通过改变路基或地基土体的任一参数来观察其对沉降的影响。
(8)运用MIDAS/Civil计算路基中点底部沉降量与分层总和法计算值的对比
MIDAS/Civil通过定义土体的回弹模量、泊松比、容重来计算路基沉降,分层总和法计算需用土体的容重和孔隙比。以上算例采用分层总和法计算路基中心点下沉降量为706mm,运用MIDAS/Civil计算为703mm,两种方法计算的结果很相近,说明运用MIDAS/Civil
参考文献:
[1] 李峻利,姚代禄.路基设计原理[M].北京:人民交通出版
社,2001.
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