基于连续排水边界的软土地基非线性固结沉降分析方法

技术领域

本发明涉及软土地基加固技术领域，具体为基于连续排水边界的软土地基非线性固结沉降分析方法。

背景技术

我国沿海地区软土分布广泛，尤其在软土分布密集的东部沿海地区，不可避免地要将基础设施修建在软弱土地基上，软土地基具有含水率高，压缩性强，透水性差的特点，难以满足工程建设的要求，需进行加固处理后才能投入使用，而因其沉降具有明显的非线性，如何有效计算软土的沉降是一个比较困难的问题。

目前工程设计中常用的是《建筑地基基础设计规范》中的地基沉降分层总和法，该方法采用的是弹性土本构模型，通过压缩试验所得的压缩模量应用于分层总和法中计算土的压缩沉降，由于其没有考虑到土的非线性沉降，通常需要在计算结果的基础上乘以1.1～1.7甚至更高的经验系数以修正计算值，经验系数取值主观性大，难以准确计算软土地基沉降。也有采用考虑因素较为全面的弹塑性土体本构模型并通过有限元法来计算，但即使是较为简单的Duncan-Chang本构模型，在一般工程中也较难取得合适的本构模型参数，导致计算的精度不可靠。现有方法或是受主观性因素干扰，或是参数复杂难以确定，且往往忽略上下边界面的透水性对固结速率的影响，实际上，边界面的排水能力应该是介于完全排水或完全不排水之间，而非极端的完全透水或完全不透水情况，传统固结理论中的边界条件会导致固结速率偏大，从而对沉降计算产生误差。此外，现有研究中部分分析方法未考虑非线性，从而导致了固结沉降计算误差较大，而部分考虑了非线性，但计算量大，计算困难，难以用于工程实际因而需要一种参数简单，同时考虑连续排水边界和土体非线性固结的计算方法，为软土地基施工设计提供更加具有参考性的分析结果，为此提供了基于连续排水边界的软土地基非线性固结沉降分析方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供基于连续排水边界的软土地基非线性固结沉降分析方法，以解决上述背景技术提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于连续排水边界的软土地基非线性固结沉降分析方法，包括以下步骤：

S1：通过有限元软件Abaqus建立基于砂井堆载预压法的软土地基三维有限元模型，包括排水井、扰动区和影响区；

S2：在所述S1的基础上，对模型顶面和底面通过编写DISP子程序引入连续排水边界条件；

S3：采用非线性弹性土本构模型，通过编写GETVRM子程序和USDFLD子程序实时更新材料参数实现非线性固结；

S4：采用Python语言建立软土地基三维有限元计算模型的.py程序文件，利用ABAQUS的RSG模块建立GUI界面，将程序作为内核程序嵌入GUI界面，形成参数化快速建模插件；

S5：在所述S4的基础上改进程序，根据输入的模型尺寸、载荷、时间和材料属性的参数进行自动编写子程序文件，并生成.inp输入文件和.odb输出文件，同子程序文件一并提交Abaqus计算；

S6：在所述S5的基础上于程序中加入计算结果处理代码，所述代码包括显示结果云图和提取节点数据绘制曲线，并将数据导出为Excel文件。

作为本发明的一种优选技术方案，所述S1中的三维有限元模型包括几何模型建立、赋予材料属性、分析步设置、相互作用设置、边界条件设置和网格划分，其中：几何模型选用正三角形排列打井方式的一个影响区域为计算模型，包括排水井区，扰动区，影响区；砂井影响区近似为圆形，通过r

作为本发明的一种优选技术方案，所述S2中的DISP子程序引入的连续排水边界条件，具体包括：利用Fortran语言将连续排水边界条件编译为DISP子程序文件，应用于计算全过程，连续排水边界下的超静孔隙水压力表达式为：

式中：u为边界孔压，p

在多级加载中载荷随时间改变，写为：

式中：p

因此有多级加载下连续排水边界孔压表达式：

通过连续排水边界描述排水边界的透水性能，界面参数b为大于0的任意数值，由连续排水边界条件的表达式可知，b越大，表示排水能力越强，当b→∞时，u＝0，即退化为传统的完全透水边界，因此，界面参数表征边界透水能力,其取值通过取样实验反演确定。

作为本发明的一种优选技术方案，所述S3中的GETVRM和USDFLD子程序实现非线性固结，通过编写GETVRM子程序以读取Abaqus的.fil过程文件，在该过程文件中提取最新增量步各积分点的有效应力和孔隙比并传输至USDFLD子程序，USDFLD子程序通过各积分点的有效应力和孔隙比结合输入的非线性参数计算其压缩模量和渗透系数并更新到下一个增量步的计算中；

非线性土体本构模型计算采用土体非线性压缩和渗透关系的表达式计算当前孔隙比e：

式中：e

根据当前孔隙比计算渗透系数：

式中：k

根据计算所得孔隙比计算压缩模量：

作为本发明的一种优选技术方案，所述S4中的GUI界面需要输入的参数包括：影响区半径、涂抹区半径、砂井半径、最大载荷、加载段时间、恒载段时间；界面参数、泊松比、土的天然重度、初始孔隙比、初始渗透系数、压缩指数、渗透指数、回弹指数，所述压缩指数、渗透指数和回弹指数均为非线性参数，所述界面参数为表征透水性。

作为本发明的一种优选技术方案，所述S6中的计算结果处理代码，具体包括：显示动态沉降云图、显示动态孔压云图、自动选择顶面最外侧节点绘制沉降随时间变化曲线、自动选择底面最外侧节点绘制孔压随时间变化曲线、自动选择底面最外侧节点绘制孔隙比随时间变化曲线、自动绘制载荷随时间变化曲线和自动导出绘图数据为Excel文件。

本发明的有益效果是：本方法具有以下优点：

(1)本发明的计算方法考虑了连续排水边界条件下软土地基的高度非线性固结，通过一般工程的常见参数进行计算，无需经验系数的修正也可达到较高的准确度，降低主观因素干扰的同时提高了可靠性；由于连续排水边界的引入，固结过程中的沉降速率也可通过取样实验结果调整界面参数b、c的取值来更为准确的预测。

(2)本发明基于上述计算方法提供了Abaqus有限元分析插件，通过简易的图形用户界面输入土体基本参数即可实现全过程自动分析，省去了繁琐的建模、编写子程序、数据处理的步骤，降低了使用门槛，提高了计算效率，可为实际软土加固施工设计确定载荷大小，载荷速率，载荷时长提供参考依据。

附图说明

图1为本发明参数化计算流程图；

图2为本发明三维有限元模型图；

图3(a)为本发明GUI插件图之一

图3(b)为本发明GUI插件图之二；

图4为本发明自动结果处理图；

图5为本发明计算结果与实际测量对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例：请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：基于连续排水边界的软土地基非线性固结沉降分析方法，具体步骤如下：

S1：通过有限元软件Abaqus建立基于砂井堆载预压法的软土地基三维有限元模型，包括几何模型建立、赋予材料属性、分析步设置、相互作用设置、边界条件设置和网格划分；其中几何模型选用正三角形排列打井方式的一个影响区域为模型，砂井影响区近似为圆形，如图1所示。影响区半径可通过下式进行换算：r

可选袋装砂井或塑料排水板作为排水介质，当选用塑料排水板时，需通过影响区半径换算公式进行等效换算：

式中：α为等效直径换算系数，根据实际排水板形状取0.85～0.9；β和δ分别为塑料排水板的宽度和厚度，塑料排水板的渗透系数可通过下式计算：

式中：k

式中：k

用壳单元法划分各区域；对各区域赋予相应的材料属性；在材料属性中选择用户自定义场变量，顶面和底面边界条件中选择用户自定义边界条件，以便接入子程序计算连续排水边界和非线性沉降；考虑到模型的对称性，采用四分之一模型进行模拟，在断面设置对称边界条件，有效节省了计算时间成本。

材料属性和透水面边界条件选择用户自定义，以便接入子程序计算连续排水边界和非线性沉降，对模型侧面约束侧向位移，底面约束竖向位移，考虑到模型的对称性，采用四分之一模型进行模拟，在断面设置对称边界条件：XSYMM，YSYMM，使模型分别对X面和Y面对称，可有效节省计算时间成本。

对模型顶面施加压强载荷以模拟堆载，通过Amplitude模块设置幅值使载荷随时间线性上升，当加载段时间小于1秒时，可退化为瞬时加载；

网格按模型尺寸大小以比例划分，以保证不同尺寸模型精度的统一，单元类型采用八结点六面体单元三向线性孔隙流体/应力C3D8P计算。

S2：对模型顶面和底面引入连续排水边界条件，利用Fortran语言编译为DISP子程序，于所述子程序中通过竖向坐标形参COORDS区分上下表面，以实现上下透水面的不同透水性，所述连续排水边界表达式如下：

式中：u为边界孔压，p

在多级加载中载荷随时间改变，写为：

式中：p

因此有多级加载下连续排水边界孔压表达式：

S3：通过GETVRM子程序读取Abaqus的.fil过程文件，在该过程文件中提取最新增量步各积分点的有效应力和孔隙比并传输至USDFLD子程序，USDFLD子程序通过各积分点的有效应力和孔隙比结合输入的非线性参数计算其压缩模量和渗透系数并更新到下一个增量步的计算中，非线性土体本构模型计算采用土体非线性压缩和渗透关系的表达式计算当前孔隙比e：

式中：e

根据当前孔隙比计算渗透系数：

式中：k

根据计算所得孔隙比计算压缩模量：

S4：采用Python语言建立软土地基三维有限元计算模型的.py程序文件，利用ABAQUS的RSG模块建立GUI界面，导入的.py程序文件，并将程序作为内核程序嵌入GUI界面，形成参数化快速建模插件，见图3，其中需要输入的参数有：

材料属性参数表：

全局参数表：

本例中输入的参数取自一软土固结实验，共四个加载段，分别以20、50、100、200kPa加载，共用时37天加载完毕，材料参数见下表：

S5：在S4的基础上改进程序，使其根据输入的模型尺寸，载荷，时间，材料属性等参数自动编写子程序文件，并生成.inp输入文件和.odb输出文件，同子程序文件一并提交Abaqus计算。

S6：在S5的基础上加入计算结果处理代码，具体包括：显示动态沉降云图，显示动态孔压云图，自动选择顶面最外侧节点绘制沉降随时间变化曲线，自动选择底面最外侧节点绘制孔压随时间变化曲线，自动选择底面最外侧节点绘制孔隙比随时间变化曲线，自动绘制载荷随时间变化曲线，自动导出绘图数据为Excel文件，本算例输出的云图和曲线见图4，与实验的验证比较见图5。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。