2.5.2　数值模拟的具体过程

2.5.2　数值模拟的具体过程

基于金台高填方重载铁路碎石填料路基的施工过程，本书运用大型工程模拟软件Abaqus建立了三维路基模型模拟分层填筑过程。

2.5.2.1 建立几何模型

根据施工现场的实际情况进行建模，模型长200 m，宽184 m，高74 m。其中，路基顶宽14 m，底宽94 m，距路基顶8 m高度内边坡岸坡比为1∶1.5，以下为1∶1.75，路基边界山体坡度角为67°。涵洞顶分层填筑土层总高24 m，共填筑12层，每填筑土层为2 m。涵洞截面尺寸如图2-1，净高3.5 m，净宽3 m。几何模型如图2-5。

图2-5　几何模型

2.5.2.2 建立材料模型

本数值分析的材料模型共有4种材料：碎石填料、地基、混凝土和素土。其中碎石填料和素土采用 Mohr-Coulomb 本构模型，地基和混凝土采用理想线弹性本构模型。各材料的物理参数由室内试验和现场勘察报告综合确定，具体参数如表2-10所示。

表2-10　模型材料参数表

2.5.2.3 填加荷载和设置边界条件

本次建模主要研究路基分层填筑过程中路基体内部应力和沉降的变化规律，主要受填料自重影响，故模型中只考虑和加载了竖向重力。以结合现场实际情况和尽可能减小边界条件对模型计算结果的影响为原则，数值模型边界条件的设置如下：

（1）路基顶部和边坡面为自由面。

（2）地基达到一定深度将不会有任何位移，所以地基底面为全约束，地基可以看成半无限体，路基地基山体涵洞所以其前后左右四个面设置了水平约束，限制了水平位移。

（3）山体与填筑路基接触的一面看成自由面，其余面看成半无限体，设置水平约束限制水平位移。(https://www.daowen.com)

（4）涵洞端面及所在的路基面因不允许有坍塌，设置了水平约束。荷载加载和边界条件设置如图2-6所示。

图2-6　施加荷载和边界条件设置图

2.5.2.4 建立分析步

模拟路基分层填筑过程，总共设置了13个分析步。第1个分析步里，设置了边界条件，加载了重力荷载，并运用关键语句“*Model Change，remove（部件名称）”杀死需要填筑的土层。模型路基分12层填筑，每层2 m，在以后的分析步里运用关键语句“*Model Change，add（部件名称）”，每个分析步激活一层填筑土层，用来模拟填筑该土层。图2-7和图2-8分别为设置生死单元后第1分析步和第6分析步的效果图。

图2-7　第1步分析的效果图

图2-8　第6步分析的效果图

2.5.2.5 网格划分

在有限元计算中，网格的数目与质量直接影响到计算结果的精度和计算规模的大小，网格划分是否合适很难判断，需要根据经验来综合使用多种技巧，并且进行大量试算工作进行评估。本书通过不同网格划分方法对比，最终确定了图2-9所示的网格划分方案。本次主要研究对象为路基，计算精度要求较高，所以网格划分需要密集一些，而地基和山体网格划分得疏散一些。本模型共14 659个单元，单元类型为C3D8R，（C表示为实体单元，“3D”表示为“三维”，“8”为单元具有的节点数目，“R”指这个单元是“缩减积分单元”），这种类型单元计算位移结果较精确，时间短，比较适合本模型仿真。

图2-9　网格划分方案示意图