一种双排桩基坑支护颗粒流数值模拟方法与流程

1.本发明涉及一种基于颗粒流法的数值模拟方法，尤其是一种用于双排桩支护的颗粒流数值方法。


背景技术：

2.随着城市的快速发展，交通拥堵、土地资源匮乏、生态环境恶化等问题日益突出，为了提高城市的宜居性、韧性、包容性，人们对于地下结构开发程度逐渐增大，如地铁车站、公路隧道、人行地道等常常会涉及到深基坑工程。在日益狭小的城市空间环境下，基坑的开挖常常会影响周边既有建筑物、隧道、管线变形，因此双排桩的围护结构形式越来越受到工程设计人员的青睐。
3.目前，国内外专家学者对双排桩围护结构形式进行数值模拟研究时均采用基于连续介质的有限元法。然而土作为一种典型的离散型材料，采用有限元进行模拟存在一定的局限性，如土的本构模型选取，以及求解一些非线性、大变形难以收敛等问题。颗粒流法作为离散元法的一种，近几年在一些岩土体力学模拟试验中得到了广泛的应用。颗粒流法是基于细观力学特征，从散体颗粒细观参数标定的角度出发来还原模拟实际土体的宏观力学特征。但是，其在双排桩基坑支护领域的应用研究还很少见。
4.鉴于此，如何从细观力学的角度来深入分析双排桩与土的相互作用机理，成为本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种双排桩基坑支护颗粒流数值模拟方法，通过利用颗粒进行拟合成双排桩结构，然后依据土工室内试验所得应力应变曲线对不同土层颗粒进行参数标定用来模拟基坑土层。
6.为实现上述目的，本发明提供的一种双排桩基坑支护颗粒流数值模拟方法，包括：
7.利用不同直径大小的clump颗粒用来拟合模拟一个单位结构单元，将结构单元拼接成双排桩结构的形状，并赋予各单元间平行粘结模型；
8.利用有限元软件建立同样形状的双排桩结构，对颗粒流和有限元软件建立的双排桩结构模型进行同等受力分析，根据有限元双排桩的位移变形进行颗粒流双排桩数值结构的细观参数标定；
9.基于颗粒流进行二次开发，生成基坑土层颗粒，并依据室内三轴试验所得宏观应力应变力学曲线进行基坑各个土层颗粒细观参数标定；
10.在基坑土层颗粒标定的基础上，利用分层填土法进行基坑初始土层生成，并进行初始地应力平衡，对颗粒流基坑各个土层赋予不同土层颗粒标定的细观参数；
11.建立整体颗粒流双排桩基坑支护模型开挖支护计算流程。
12.可选地，所述利用不同直径大小的clump颗粒用来拟合模拟一个单位结构单元，包括：
13.利用pfc2d颗粒流软件生成17个clump颗粒，所述clump颗粒由四个单元球a、b、c、d组成，clump颗粒球形度的计算公式为：
[0014][0015]
其中：
[0016]
r表示以clump颗粒中心为原点，clump颗粒横截面中的最大内切圆半径，在本发明一个具体实施例中，为单元球a的半径；
[0017]
r表示以clump颗粒中心为原点，clump颗粒横截面中的最大外接圆半径，在本发明一个具体实施例中，单元球b、c、d的半径相同，将单元球b、c、d两两接触放置在同一水平面上，并以单元球的三个中心形成横截面，以clump颗粒中心为原点，建立单元球三个中心所形成横截面的最大外接圆，其半径即为r；
[0018]
在本发明一个具体实施例中，将单元球b、c、d的半径设置为相等且不变，通过改变单元球a的半径，即可得到不同直径大小的clump颗粒。
[0019]
可选地，所述将结构单元拼接成双排桩结构的形状，并赋予各单元间平行粘结模型，包括：
[0020]
将结构单元拼接成双排桩结构，并利用平行粘结模型建立不同结构单元之间的连接关系，不同结构单元之间利用平行粘结传递的合力为力矩为矢量可以被分解为法向矢量和切向矢量：
[0021][0022]
其中：
[0023]
表示法向矢量；
[0024]
表示切向矢量；
[0025]
当两个结构单元之间的平行粘结建立后，其初始合力和力矩为0，当结构单元之间发生相对运动，产生位移增量和转动增量，从而平行粘结内产生了力增量和力矩增量，在时步δt内，在结构单元接触点的相对位移增量可得在平行粘结内产生的法向和切向力增量计算式为：
[0026][0027][0028]
δu＝vδt
[0029]
其中：
[0030]
表示在法向产生的力增量，表示在切向产生的力增量；
[0031]
a表示平行粘结的横截面积；
[0032]
v表示两个结构单元在接触点的相对速度；
[0033]
δu表示两个结构单元在接触点相对位移的增量，δu
s
表示切向的相对位移增量，δu
n
表示法向的相对位移增量；
[0034]
k
s
表示切向刚度，k
n
表示法向刚度。
[0035]
可选地，所述根据有限元双排桩的位移变形进行颗粒流双排桩数值结构的细观参数标定，包括：
[0036]
利用有限元软件建立形状的双排桩结构，并对颗粒流以及有限元软件建立的双排桩结构模型进行同等受力分析，根据基于有限元软件的双排桩结构的位移变形，确定基于颗粒流的双排桩结构的clump displacement_mag细观参数标定；在本发明一个具体实施例中，所述基于有限元软件的双排桩结构的位移变形为双排桩结构的隆起量。
[0037]
可选地，所述基于颗粒流进行二次开发，生成基坑土层颗粒，依据室内三轴试验所得宏观应力应变力学曲线进行基坑各个土层颗粒细观参数标定，包括：
[0038]
基于颗粒流方法进行二次开发，生成随机数量的基坑土层颗粒，所述生成的基坑土层颗粒中，80％的基坑土层颗粒为clump颗粒，20％的基坑土层颗粒为ball颗粒，在本发明一个具体实施例中，clump颗粒的直径大于10mm且小于15mm，ball颗粒的直径小于10mm；所述clump颗粒是由多个小颗粒组成的任意形状的大颗粒，小颗粒相对位置保持固定，与内部小颗粒不产生接触力，视为纯刚体，不会发生变形破碎等情况，不同clump颗粒间的接触模型为线性接触模型；所述ball颗粒是最基本的颗粒单元，ball颗粒本身无刚度，颗粒与颗粒之间的接触为点接触，接触为柔性接触；
[0039]
根据室内三轴试验所得的观应力应变力学曲线，在不同测压下记录颗粒的静态响应和极限载荷，对基坑中各个土层颗粒的静态响应以及极限载荷的参数进行标定，并将测压设置为颗粒之间的连接键强度，当数值模拟出响应的测压时，不同颗粒产生对应的静态压力形变，并通过颗粒间的连接键进行相对运动。
[0040]
可选地，所述利用分层填土法进行基坑初始土层生成，并进行初始地应力平衡，对颗粒流基坑各个土层赋予不同土层颗粒标定的细观参数，包括：
[0041]
在生成基坑土层颗粒的空间中添加重力场，土层颗粒在重力作用下自由落体，为了加快土层颗粒下落速度，减少土层颗粒触底反弹位移，设置空间内重力场加速度10g；大粒径土层颗粒接触之后形成骨架，小粒径土层颗粒填充骨架之间的空隙，一定程度上小颗粒向下运动的空间较大，此时颗粒分布为下密上疏的土层分布结构；
[0042]
在本发明一个具体实施例中，本发明在模型内添加大刚度墙体，自150mm处由上到下压实基坑模型，墙体向下移动时，恢复重力场为g，此时土层颗粒受到不平衡反作用力，小土层颗粒质量小，加速度大，快速向上运动，一定程度上改善了基坑模型“下密上疏”的情况；
[0043]
本发明对生成的土层进行初始地应力平衡，使得底层土层受到的压力更大，将不同层土层颗粒受到的压力作为观应力应变力学曲线中的测压值，根据曲线对应结果，对各个土层赋予不同土层颗粒标定的细观参数；所述不同土层颗粒标定的细观参数为土层颗粒的静态响应、极限载荷以及土层颗粒之间的连接键强度。
[0044]
可选地，所述建立颗粒流双排桩基坑支护模型开挖支护计算流程，包括：
[0045]
依据实际工程概况进行双排桩颗粒流基坑土层开挖，基坑为放坡 双排桩悬臂支护，上部放坡高度为8.6m，悬臂支护高度5m，基坑总高度13.6m，在本发明一个具体实施例中，为了抑制数值土层颗粒因为卸载造成隆起速度过大，本方法中模拟中进行每计算十步清除一下颗粒速度；所述具体支护
‑
开挖顺序为：
[0046]
1)开挖基坑初始土层第一层土；
[0047]
2)开挖基坑土层的第二层土，此时挖到双排桩桩顶；
[0048]
3)删除双排桩处位置土颗粒，生成排桩及连梁土层颗粒并赋予其初始标定的细观
参数；在本发明一个具体实施例中，所述排桩的细观参数为clump displacement_mag细观参数，所述连梁土层颗粒的细观参数为土层颗粒的静态响应、极限载荷以及土层颗粒之间的连接键强度；
[0049]
4)开挖垂直段支护第一层土层；
[0050]
5)开挖垂直段支护第二层土层；
[0051]
6)当双排桩颗粒与土层颗粒达到力学平衡之后，模拟计算双排桩的桩身水平位移。
[0052]
相对于现有技术，本发明提出一种双排桩基坑支护颗粒流数值模拟方法，该技术具有以下优势：
[0053]
首先，与现有对双排桩基坑支护的研究技术相比，本专利主要是通过从细观参数标定的角度来还原模拟双排桩基坑开挖支护的全过程，详细地，本专利首先利用不同直径大小的clump颗粒用来拟合模拟一个单位结构单元，将结构单元拼接成双排桩结构的形状，并赋予各单元间平行粘结模型，利用有限元软件建立同样形状的双排桩结构，对颗粒流和有限元软件建立的双排桩结构模型进行同等受力分析，根据有限元双排桩的位移变形进行颗粒流双排桩数值结构的细观参数标定，从而利用有限元方法对颗粒流方法中双排桩的细观参数进行标定；其可以有效地弥补现有有限元对土体力学特性模拟的不足，且也弥补了颗粒流模拟双排桩基坑开挖支护研究的空白；同时本专利基于颗粒流进行二次开发，生成基坑土层颗粒，并依据室内三轴试验所得宏观应力应变力学曲线进行基坑各个土层颗粒细观参数标定，在基坑土层颗粒标定的基础上，利用分层填土法进行基坑初始土层生成，并进行初始地应力平衡，对颗粒流基坑各个土层赋予不同土层颗粒标定的细观参数，当双排桩颗粒与土层颗粒达到力学平衡之后，模拟计算双排桩的桩身水平位移，为后期人们从细观层面研究分析双排桩与土的相互作用机理提供了一定的参考价值。
[0054]
同时根据本专利的数值模拟结果可知，数值模拟位移曲线与现场监测数据曲线变形趋势基本一致，数据较接近，可以满足工程需求，所以，本发明有效地从细观角度模拟还原实际双排桩基坑支护结构的变形特性。
附图说明
[0055]
图1为本发明一实施例提供的一种双排桩基坑支护颗粒流数值模拟方法的流程示意图；
[0056]
图2为17个clump颗粒拟合模拟结构单元；
[0057]
图3为双排桩颗粒流模型与双排桩有限元数值模型在同等受力工况，且同等约束条件下参数标定后的桩身位移云图；
[0058]
图4为结合具体工程实例，土的细观标定柔性双轴试验与室内试验对比图；
[0059]
图5为结合具体工程实例，颗粒流双排桩基坑支护开挖的过程；
[0060]
图6为结合具体工程实例，颗粒流双排桩基坑支护桩身深沉水平位移曲线与实际工程案例监测数据图；
[0061]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0062]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0063]
通过利用颗粒进行拟合成双排桩结构，然后依据土工室内试验所得应力应变曲线对不同土层颗粒进行参数标定用来模拟基坑土层。参照图1所示，为本发明一实施例提供的双排桩基坑支护颗粒流数值模拟方法示意图。
[0064]
在本实施例中，双排桩基坑支护颗粒流数值模拟方法包括：
[0065]
s1、利用不同直径大小的clump颗粒用来拟合模拟一个单位结构单元，将结构单元拼接成双排桩结构的形状，并赋予各单元间平行粘结模型。
[0066]
首先，本发明利用pfc2d颗粒流软件生成17个clump颗粒，所述clump颗粒由四个单元球a、b、c、d组成，clump颗粒球形度的计算公式为：
[0067][0068]
其中：
[0069]
r表示以clump颗粒中心为原点，clump颗粒横截面中的最大内切圆半径，在本发明一个具体实施例中，为单元球a的半径；
[0070]
r表示以clump颗粒中心为原点，clump颗粒横截面中的最大外接圆半径，在本发明一个具体实施例中，单元球b、c、d的半径相同，将单元球b、c、d两两接触放置在同一水平面上，并以单元球的三个中心形成横截面，以clump颗粒中心为原点，建立单元球三个中心所形成横截面的最大外接圆，其半径即为r；
[0071]
在本发明一个具体实施例中，将单元球b、c、d的半径设置为相等且不变，通过改变单元球a的半径，即可得到不同直径大小的clump颗粒；
[0072]
将17个clump颗粒拟合为一个1
×
1m的结构单元，不同clump颗粒间的接触模型为线性接触模型，即两个clump颗粒的法向刚度和切线通过串联接触的方式相互作用；
[0073]
进一步地，本发明将结构单元拼接成双排桩结构，并利用平行粘结模型建立不同结构单元之间的连接关系，不同结构单元之间利用平行粘结传递的合力为力矩为矢量可以被分解为法向矢量和切向矢量：
[0074][0075]
其中：
[0076]
表示法向矢量；
[0077]
表示切向矢量；
[0078]
当两个结构单元之间的平行粘结建立后，其初始合力和力矩为0，当结构单元之间发生相对运动，产生位移增量和转动增量，从而平行粘结内产生了力增量和力矩增量，在时步δt内，在结构单元接触点的相对位移增量可得在平行粘结内产生的法向和切向力增量计算式为：
[0079][0080][0081]
δu＝vδt
[0082]
其中：
[0083]
表示在法向产生的力增量，表示在切向产生的力增量；
[0084]
a表示平行粘结的横截面积；
[0085]
v表示两个结构单元在接触点的相对速度；
[0086]
δu表示两个结构单元在接触点相对位移的增量，δu
s
表示切向的相对位移增量，δu
n
表示法向的相对位移增量；
[0087]
k
s
表示切向刚度，k
n
表示法向刚度。
[0088]
s2、利用有限元软件建立同样形状的双排桩结构，对颗粒流和有限元软件建立的双排桩结构模型进行同等受力分析，根据有限元双排桩的位移变形进行颗粒流双排桩数值结构的细观参数标定。
[0089]
进一步地，本发明利用有限元软件建立形状的双排桩结构，并对颗粒流以及有限元软件建立的双排桩结构模型进行同等受力分析，根据基于有限元软件的双排桩结构的位移变形，确定基于颗粒流的双排桩结构的clump displacement_mag细观参数标定；在本发明一个具体实施例中，所述基于有限元软件的双排桩结构的位移变形为双排桩结构的隆起量。
[0090]
s3、基于颗粒流进行二次开发，生成基坑土层颗粒，并依据室内三轴试验所得宏观应力应变力学曲线进行基坑各个土层颗粒细观参数标定。
[0091]
进一步地，本发明基于颗粒流方法进行二次开发，生成随机数量的基坑土层颗粒，所述生成的基坑土层颗粒中，80％的基坑土层颗粒为clump颗粒，20％的基坑土层颗粒为ball颗粒，在本发明一个具体实施例中，clump颗粒的直径大于10mm且小于15mm，ball颗粒的直径小于10mm；所述clump颗粒是由多个小颗粒组成的任意形状的大颗粒，小颗粒相对位置保持固定，与内部小颗粒不产生接触力，视为纯刚体，不会发生变形破碎等情况，不同clump颗粒间的接触模型为线性接触模型；所述ball颗粒是最基本的颗粒单元，ball颗粒本身无刚度，颗粒与颗粒之间的接触为点接触，接触为柔性接触；
[0092]
根据室内三轴试验所得的观应力应变力学曲线，在不同测压下记录颗粒的静态响应和极限载荷，对基坑中各个土层颗粒的静态响应以及极限载荷的参数进行标定，并将测压设置为颗粒之间的连接键强度，当数值模拟出响应的测压时，不同颗粒产生对应的静态压力形变，并通过颗粒间的连接键进行相对运动。
[0093]
s4、在基坑土层颗粒标定的基础上，利用分层填土法进行基坑初始土层生成，并进行初始地应力平衡，对颗粒流基坑各个土层赋予不同土层颗粒标定的细观参数。
[0094]
进一步地，在生成基坑土层颗粒的空间中添加重力场，土层颗粒在重力作用下自由落体，为了加快土层颗粒下落速度，减少土层颗粒触底反弹位移，设置空间内重力场加速度10g；大粒径土层颗粒接触之后形成骨架，小粒径土层颗粒填充骨架之间的空隙，一定程度上小颗粒向下运动的空间较大，此时颗粒分布为下密上疏的土层分布结构；
[0095]
在本发明一个具体实施例中，本发明在模型内添加大刚度墙体，自150mm处由上到下压实基坑模型，墙体向下移动时，恢复重力场为g，此时土层颗粒受到不平衡反作用力，小土层颗粒质量小，加速度大，快速向上运动，一定程度上改善了基坑模型“下密上疏”的情况；
[0096]
进一步地，本发明对生成的土层进行初始地应力平衡，使得底层土层受到的压力更大，将不同层土层颗粒受到的压力作为观应力应变力学曲线中的测压值，根据曲线对应
结果，对各个土层赋予不同土层颗粒标定的细观参数；所述不同土层颗粒标定的细观参数为土层颗粒的静态响应、极限载荷以及土层颗粒之间的连接键强度。
[0097]
s5、建立整体颗粒流双排桩基坑支护模型开挖支护计算流程。
[0098]
进一步地，本发明建立整体颗粒流双排桩基坑支护模型开挖支护计算流程，依据实际工程概况进行双排桩颗粒流基坑土层开挖，基坑为放坡 双排桩悬臂支护，上部放坡高度为8.6m，悬臂支护高度5m，基坑总高度13.6m，在本发明一个具体实施例中，为了抑制数值土层颗粒因为卸载造成隆起速度过大，本方法中模拟中进行每计算十步清除一下颗粒速度；所述具体支护
‑
开挖顺序为：
[0099]
1)开挖基坑初始土层第一层土；
[0100]
2)开挖基坑土层的第二层土，此时挖到双排桩桩顶；
[0101]
3)删除双排桩处位置土颗粒，生成排桩及连梁土层颗粒并赋予其初始标定的细观参数；在本发明一个具体实施例中，所述排桩的细观参数为clump displacement_mag细观参数，所述连梁土层颗粒的细观参数为土层颗粒的静态响应、极限载荷以及土层颗粒之间的连接键强度；
[0102]
4)开挖垂直段支护第一层土层；
[0103]
5)开挖垂直段支护第二层土层；
[0104]
6)当双排桩颗粒与土层颗粒达到力学平衡之后，模拟计算双排桩的桩身水平位移。
[0105]
发明还提供双排桩基坑支护颗粒流数值模拟方法的实验图。参照图2所示，为本发明利用17个clump颗粒拟合模拟结构单元的结构单元示意图。
[0106]
参照图3所示，为本发明一实施例提供的双排桩颗粒流模型与双排桩有限元数值模型在同等受力工况，且同等约束条件下参数标定后的桩身位移云图；
[0107]
参照图4所示，为本发明一实施例提供的土的细观标定柔性双轴试验与室内试验对比图；
[0108]
参照图5所示，为本发明一实施例提供的颗粒流双排桩基坑支护开挖的过程；
[0109]
参照图6所示，为本发明一实施例提供的颗粒流双排桩基坑支护桩身深沉水平位移曲线与实际工程案例监测数据图。
[0110]
需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
[0111]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0112]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。