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砂井地基的有限元分析方法

发布于:2016-05-11 18:39
有限元分析

      目前,采用平面应变有限元来分析砂井地基已获得越来越广泛的认可。通过平面应变问题和轴对称问题之间的等效转换,将砂井地基转换为砂墙地基来处理,可以降低原本的砂井地基三维有限元分析的工作量。因此,由砂井到砂墙的等效方法和砂井的平面应变有限元分析是砂井地基计算分析的两个关键。
      然而,对于一些大型复杂的工程,若同时考虑砂井地基的涂抹作用和井阻作用,常规的有限单元法的计算规模仍显庞大,计算自由度数可能达到几万甚至是几十万个。因此,在不降低计算精度的前提下,对现有单元进行改造,以有效地减少模型的单元数和节点数,使平面应变有限元计算更加有效、快捷是非常必要的。
      本研究正是基于这样的思考提出砂墙组合单元的。分析表明,由于常规有限元法要求一个单元中只包含一种材料,因此大多数由其所建立的模型的单元数和结点数过多的原因是局部区域由于材料性状的差异,而被分别划分为不同的单元。对于一些复杂结构,为简化分析、节约分析时间,有时也采用一定的等效方法将材料均匀化来解决这个问题。在砂墙地基中,砂墙和涂抹区的材料性质不同、作用也截然不同。如果采用常规有限元法,需分别剖分单元,将会造成计算规模过于庞大、计算费用高,且由于计算量大,计算精度也不一定能保证。
      如果采用材料均匀化的方法,将涂抹区均匀化到砂井区和相邻土层,则会导致较大的模型误差。因此,需要一个新的思路来解决这个问题。本研究的砂墙组合单元对常规等参元进行改进,把目前比较成熟的组合单元法引入到砂墙地基的分析中来,在单元体内部考虑砂墙的涂抹作用和井阻作用。在保证有限元分析精度的前提下,有效地控制了单元数和结点数,这样能够较大减少分析的工作量,从而克服了常规有限元法在计算砂墙地基时单元数和结点数过多的缺点,也避免了材料均匀化解决方法所带来的模型误差的缺陷。
      Hird在不考虑地基的侧向变形的前提下,提出单个砂墙考虑井阻作用的解答。该解答的平均固结度较为理想,但水平向孔压变化与真实情况相差较大,且不能考虑土体性状随深度的变化。Hird进一步考虑了土体的非线性、土体性状随深度的变化以及加载历史。该解答的水平向孔压变化较为理想,但仍不能考虑地基的侧向变形。Chai提出单个砂墙考虑井阻作用下的解答,该解答的水平向孔变化较为理想。B.Indraratna重点考察了砂墙的涂抹作用,并提出了多个砂墙在涂抹、井阻作用下的解答。多个砂墙的分析使解答更加有效地模拟沉降、孔压和侧向位移。赵维炳在考察砂墙涂抹、井阻作用的基础上,重点考察了砂墙的侧向变形和竖向渗流。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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