付成華,周洪波

(1.西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610039;2.二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司,四川 成都 610051)

近年來,我國交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展迅速,運(yùn)營速度的提高對(duì)路基沉降變形控制的要求也越來越高。傳統(tǒng)的路基沉降計(jì)算模式不僅速度較慢、容易出錯(cuò),而且傳統(tǒng)的路基沉降計(jì)算方法在計(jì)算精度上也存在一定的局限性[1]。國內(nèi)針對(duì)建筑地基沉降計(jì)算的軟件很多,但專門用于鐵路或公路路基的沉降計(jì)算軟件比較少,路基處理中的有些問題和工程措施只能在計(jì)算中粗略地考慮或用經(jīng)驗(yàn)加以彌補(bǔ)。隨著客運(yùn)專線和高速公路的快速發(fā)展,現(xiàn)有的路基沉降變形計(jì)算程序越來越難以滿足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)計(jì)算精度和效率的要求,因此,改變計(jì)算模式,改進(jìn)計(jì)算方法,集成開發(fā)一套具有高效和高技術(shù)起點(diǎn)的系統(tǒng),為設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐勢在必行。

筆者基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)、可視化技術(shù)和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)集成開發(fā)了鐵路路基加固設(shè)計(jì)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),包括數(shù)據(jù)庫管理模塊、常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算模塊、有限元計(jì)算模塊和反饋分析模塊,既有利于軟件的開發(fā)和維護(hù),又可極大地方便用戶,減少出錯(cuò)的可能性[2-4]。系統(tǒng)改進(jìn)了鐵路路基加固設(shè)計(jì)的常規(guī)計(jì)算模式,豐富了計(jì)算方法,對(duì)計(jì)算過程中大量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效分類管理,整個(gè)計(jì)算過程通過用戶和界面交互完成,方便快捷、實(shí)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

系統(tǒng)采用VB語言編制,其中計(jì)算功能通過集成調(diào)用程序?qū)崿F(xiàn)。每個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立,具有特定功能。模塊又由一個(gè)或多個(gè)子模塊組成,模塊間存在一定聯(lián)系,由上一層模塊或主控模塊調(diào)用,形成一個(gè)有機(jī)整體,模塊功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

a.數(shù)據(jù)庫管理模塊:對(duì)工程信息(線路、地質(zhì)、材料參數(shù)、實(shí)測沉降等)、計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入與瀏覽、圖形瀏覽與處理、信息查詢、表格輸出、文件轉(zhuǎn)換等功能。

b.常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算模塊:分解、提取設(shè)計(jì)資料,自動(dòng)建立計(jì)算模型;根據(jù)計(jì)算模型和實(shí)際需要,選擇計(jì)算模式進(jìn)行路基加固的常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算,并輸出計(jì)算結(jié)果。

c.有限元計(jì)算模塊:對(duì)計(jì)算域進(jìn)行有限元網(wǎng)格的自動(dòng)剖分,施加約束條件和荷載,有限元計(jì)算可得路基計(jì)算域的應(yīng)力和位移,并可給出不同時(shí)段各地層的固結(jié)度和關(guān)鍵部位的沉降等信息,與常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算形成互補(bǔ)。

d.反饋分析模塊:根據(jù)實(shí)測沉降值反演路基土層主要力學(xué)參數(shù),再由反演所得參數(shù)進(jìn)行正分析,提高路基加固設(shè)計(jì)計(jì)算的精度,對(duì)后期路基沉降變形進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1.1 計(jì)算方法

鐵路路基加固常規(guī)計(jì)算采用分層總和法,將地基沉降計(jì)算深度內(nèi)的土層按土質(zhì)、應(yīng)力變化情況和基礎(chǔ)大小劃分為若干分層,分別計(jì)算各分層的壓縮量,然后求其總和得出地基沉降量[5]。分層總和法簡單易行,對(duì)參數(shù)的要求不高,積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算中能考慮一些常用的工程措施,可進(jìn)行天然地基和復(fù)合地基的沉降計(jì)算;能實(shí)現(xiàn)整個(gè)斷面從左至右、從上至下的沉降計(jì)算,也能自動(dòng)從路基的左側(cè)坡腳開始對(duì)某個(gè)間隔寬度的點(diǎn)進(jìn)行沉降計(jì)算;在每個(gè)點(diǎn)的計(jì)算中,亦能從上至下按樁長每次遞增一定深度進(jìn)行沉降計(jì)算,給出橫向不同點(diǎn)、豎向不同樁長的計(jì)算結(jié)果;此外,能考慮堆載預(yù)壓措施,可根據(jù)需要進(jìn)行地基承載力的寬深修正,根據(jù)土工試驗(yàn)資料提供的 e-p曲線修正各土層的壓縮模量,提高計(jì)算精度。

2.1.2 計(jì)算模式

鐵路路基沉降計(jì)算的傳統(tǒng)步驟為“選取典型斷面→確定計(jì)算點(diǎn)→量取幾何參數(shù)→輸入地質(zhì)參數(shù)→確定工程措施→輸入計(jì)算參數(shù)→計(jì)算分析→輸出計(jì)算結(jié)果”,計(jì)算模式單一,針對(duì)實(shí)際路基工程需要進(jìn)行大量重復(fù)性工作,且數(shù)據(jù)量大,計(jì)算過程容易出錯(cuò)。

系統(tǒng)可自動(dòng)生成線路整個(gè)區(qū)間的計(jì)算模型,無需用戶重復(fù)輸入地質(zhì)參數(shù)和幾何參數(shù),保證表格與圖形的準(zhǔn)確性和質(zhì)量,極大地提高了工作效率。常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算模塊中考慮不同的條件設(shè)置了單點(diǎn)計(jì)算、斷面計(jì)算和區(qū)間計(jì)算3種計(jì)算模式,將路基沉降計(jì)算的傳統(tǒng)步驟簡化為“選擇計(jì)算類型→從數(shù)據(jù)庫中提取計(jì)算模型→設(shè)置計(jì)算參數(shù)→計(jì)算分析→結(jié)果顯示”,用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇計(jì)算模式,計(jì)算過程中的大量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫管理,減少了重復(fù)性工作和出錯(cuò)的可能性,解決了單一斷面計(jì)算模式與緊迫工期間的矛盾,提高了計(jì)算效率。將鐵路路基加固設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用于成綿樂鐵路的沉降計(jì)算,其中DK432+100斷面基本信息如圖2所示,天然路基沉降計(jì)算結(jié)果如圖3所示,承載力復(fù)核結(jié)果如圖4所示。

圖2 斷面基本信息顯示

2.2 有限元法計(jì)算

圖3 天然路基沉降計(jì)算結(jié)果顯示

圖4 承載力復(fù)核結(jié)果顯示

常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算采用的分層總和法有其優(yōu)勢亦有一定的缺陷,如附加應(yīng)力的計(jì)算基于Boussinesq理論(假定路基是均質(zhì)的彈性體),與實(shí)際情況存在一定的誤差;計(jì)算無法給出各個(gè)地層在不同時(shí)段的沉降完成百分比(目前生產(chǎn)設(shè)計(jì)中仍然采用經(jīng)驗(yàn)法確定);無法預(yù)測合適的加載時(shí)間等[6]。常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法對(duì)于一般的簡單路基工程很適用,但隨著客運(yùn)專線和高速公路的發(fā)展,對(duì)路基沉降變形控制的要求越來越高[7-8],如鐵路無砟軌道線路的工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為毫米級(jí),這樣,當(dāng)前常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算的精度與實(shí)際工程建設(shè)中的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)之間的矛盾也將越來越突出,因此系統(tǒng)引入有限元計(jì)算模塊,實(shí)現(xiàn)與常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算的互補(bǔ)。

有限元計(jì)算模塊通過集成網(wǎng)格自動(dòng)剖分程序、以土體Bingham黏塑性應(yīng)變模型和彈黏塑性Biot固結(jié)理論為基礎(chǔ)的有限元程序[9]實(shí)現(xiàn)?？紤]土體固結(jié)過程中孔隙水壓力消散和土骨架變形之間的耦合作用,可以模擬天然路基和復(fù)合路基,計(jì)算路基應(yīng)力場和位移場,與常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析;可以計(jì)算各土層在不同時(shí)段的固結(jié)度以及工后沉降[7]等,解決一些常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法難以解決的問題,便于在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中直接與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,與常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。另外,有限單元法易于與智能反饋分析方法結(jié)合進(jìn)行巖土體力學(xué)參數(shù)的反演和路基沉降的預(yù)報(bào),提高設(shè)計(jì)計(jì)算的精度。

系統(tǒng)中有限元法計(jì)算的具體步驟如下:

a.建立有限元模型。從數(shù)據(jù)庫中提取需進(jìn)行有限元計(jì)算的斷面冠號(hào)和里程,以及相關(guān)的參數(shù)信息,選取合理的計(jì)算范圍生成計(jì)算斷面模型,自動(dòng)剖分有限元網(wǎng)格并輸出計(jì)算所需的單元節(jié)點(diǎn)信息。亦可以借助其他商業(yè)軟件(如ANSYS)建模,直接提取有限元網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

b.有限元計(jì)算。在有限元模型上施加約束條件和荷載,進(jìn)行有限元計(jì)算。

c.計(jì)算結(jié)果顯示。通過有限元計(jì)算除了得出計(jì)算域的應(yīng)力場、位移場外,還可給出各個(gè)地層鋪軌時(shí)的固結(jié)度以及路基面上各點(diǎn)的工后沉降。

對(duì)成綿樂鐵路DK432+100斷面按照上述步驟進(jìn)行有限元計(jì)算,其中路基各層的固結(jié)度及路基面各結(jié)點(diǎn)的工后沉降如圖5所示。

圖5 有限元計(jì)算結(jié)果

2.3 反饋分析

根據(jù)實(shí)測沉降反演確定的路基土層主要力學(xué)參數(shù),能反映巖土體的力學(xué)性質(zhì)及各種因素的綜合作用。利用這些反演確定的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,既可以提高設(shè)計(jì)計(jì)算的精度[10-11],又可對(duì)路基工程的后期固結(jié)沉降進(jìn)行預(yù)報(bào),進(jìn)一步指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

系統(tǒng)的反饋分析包括參數(shù)反演和沉降預(yù)報(bào)兩部分。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

a.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際斷面資料分析,確定來自一個(gè)或多個(gè)土層的待反演參數(shù)的范圍和水平數(shù),采用正交設(shè)計(jì)或均勻設(shè)計(jì)組合待反演參數(shù)。

b.針對(duì)不同的參數(shù)組合分別進(jìn)行有限元計(jì)算,將計(jì)算所得測點(diǎn)沉降作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,這些參數(shù)組合作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出,組建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本,輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練直至滿足精度要求。

c.將實(shí)測沉降輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出即為待反演力學(xué)參數(shù)的反演結(jié)果。

d.根據(jù)反演確定的力學(xué)參數(shù)再對(duì)天然路基或復(fù)合路基進(jìn)行有限元計(jì)算,得到不同時(shí)段的沉降,實(shí)現(xiàn)路基后期固結(jié)沉降的預(yù)報(bào)。

根據(jù)上述步驟反演成綿樂鐵路DK432+100斷面土層1的彈性模量,結(jié)果為3.49MPa(圖 6),與建議值3.5MPa間誤差很小,效果較好。進(jìn)一步預(yù)報(bào)沉降如圖7所示。

圖6 反演計(jì)算結(jié)果

圖7 測點(diǎn)沉降預(yù)報(bào)值與實(shí)測值對(duì)比

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

鐵路路基加固設(shè)計(jì)系統(tǒng)的流程為“數(shù)據(jù)輸入→模型建立→設(shè)計(jì)計(jì)算→成果顯示”。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

a.計(jì)算模式先進(jìn),計(jì)算效率高。將傳統(tǒng)路基加固設(shè)計(jì)計(jì)算模式改進(jìn)為面向?qū)ο蠼换ピO(shè)計(jì)計(jì)算模式,設(shè)計(jì)計(jì)算流程通過界面來完成;將常規(guī)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)單一斷面計(jì)算模式改進(jìn)為多方式多途徑的計(jì)算模式,簡化了設(shè)計(jì)流程,可方便快捷地提供計(jì)算結(jié)果,有利于設(shè)計(jì)者做出合理、正確、經(jīng)濟(jì)的工程方案,提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

b.技術(shù)起點(diǎn)高,計(jì)算方法多樣。系統(tǒng)集成采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與Fortran,Excel,AutoCAD,ANSYS等常用軟件的連接;設(shè)計(jì)計(jì)算采用了常規(guī)計(jì)算方法,亦采用了廣泛應(yīng)用的有限元法;采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法反演確定路基土層主要力學(xué)參數(shù)。

c.簡單、靈活、實(shí)用。整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算通過界面完成,與常用軟件無縫連接,易于掌握和操作。有限元模型的建立可通過自編程序自動(dòng)離散,也可以借助其他商業(yè)軟件(如ANSYS)建模后直接導(dǎo)入。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),各模塊具有獨(dú)立完整的流程,既可獨(dú)立又可與其他模塊關(guān)聯(lián),易于維護(hù)與擴(kuò)充。

4 結(jié) 語

鐵路路基加固設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵路路基工程的常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算、有限元法計(jì)算和反饋分析功能,計(jì)算模式、方法多樣,計(jì)算效率高,且簡單、靈活,可保證路基加固設(shè)計(jì)工作的效率與質(zhì)量,為路基加固設(shè)計(jì)提供新的計(jì)算理論、方法和工具,又可為相關(guān)的研究提供支撐,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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