雷正保,劉 博

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展與完善，各種安裝方便、設(shè)計(jì)美觀(guān)且性能良好的公路防護(hù)安全設(shè)施(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“抗撞結(jié)構(gòu)”)被廣泛應(yīng)用于各國(guó)不同等級(jí)的公路。有限元仿真是抗撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用和安裝的主要研究方法[1-3]。然而，許多抗撞結(jié)構(gòu)盡管在仿真設(shè)計(jì)和實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)中安全性能表現(xiàn)良好，卻在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象[2-4]。車(chē)輛沖破路側(cè)護(hù)欄，駛出公路的交通事故時(shí)有報(bào)道[2]，如圖1所示。顯然，抗撞結(jié)構(gòu)未能對(duì)失控車(chē)輛進(jìn)行有效防護(hù)，主要是因?yàn)槠錁痘P(guān)系未能滿(mǎn)足預(yù)期的設(shè)計(jì)效果[8-9]。

圖2 樁基體系的破壞形態(tài)

對(duì)抗撞結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其樁基關(guān)系有兩種類(lèi)型：當(dāng)土體強(qiáng)度較弱時(shí)，失控車(chē)輛沖擊作用抗撞結(jié)構(gòu)的瞬間，立柱不發(fā)生彎折，此時(shí)主要依靠土體變形吸收能量(圖2 (a))；當(dāng)土體強(qiáng)度足夠大時(shí)，失控車(chē)輛與抗撞結(jié)構(gòu)瞬間的沖擊載荷會(huì)引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及立柱發(fā)生彎折變形，并以此吸收車(chē)輛的動(dòng)能(圖2 (b))。不合理的樁基關(guān)系，將導(dǎo)致失控車(chē)輛突破抗撞結(jié)構(gòu)的防護(hù)，駛?cè)雽?duì)向車(chē)道或路側(cè)，引發(fā)二次事故[3]。但無(wú)論哪種樁基關(guān)系，抗撞結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的容許載荷都與土體性能參數(shù)有關(guān)。

因此，研究道路抗撞結(jié)構(gòu)樁基關(guān)系中土材料模型，測(cè)量土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并根據(jù)公路交通安全法規(guī)要求，準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)樁基關(guān)系，是保證抗撞結(jié)構(gòu)在交通事故中發(fā)揮作用的關(guān)鍵。該項(xiàng)研究對(duì)公路本質(zhì)安全的提升，具有極大的工程意義。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 樁基關(guān)系試驗(yàn)研究

目前，樁基關(guān)系試驗(yàn)的研究主要集中在樁身結(jié)構(gòu)對(duì)抗撞結(jié)構(gòu)性能的影響，比如樁的材料、參數(shù)、埋深等。此外，還有水平靜載條件下的樁基約束條件檢測(cè)。而動(dòng)態(tài)沖擊條件下，樁基關(guān)系中的土結(jié)構(gòu)參數(shù)(比如壓實(shí)度、含水量等)對(duì)抗撞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，容許載荷等動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的研究較少。

為全面了解樁基關(guān)系對(duì)抗撞結(jié)構(gòu)性能的影響，學(xué)者基于全尺寸法和子結(jié)構(gòu)法實(shí)施了大量的實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)[4-5]。研究成果主要可歸為3大類(lèi)：(1)基于導(dǎo)波技術(shù)和彈性波法對(duì)立柱埋深檢測(cè)的研究[6-7]。(2) 基于水平靜載或準(zhǔn)靜載試驗(yàn)方法對(duì)樁基承載力的研究。與此同時(shí)，以有限元方法模擬靜力加載試驗(yàn)，對(duì)樁基承載力及變形情況進(jìn)行分析[7-8]。(3)基于擺錘試驗(yàn)和臺(tái)車(chē)試驗(yàn)等動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)方法對(duì)樁基承載力的碰撞試驗(yàn)分析[8-9]。3類(lèi)研究均集中于不同的立柱材料、立柱型號(hào)與埋深的樁基力學(xué)特性結(jié)果比較，很少有試驗(yàn)專(zhuān)門(mén)研究土體材料、類(lèi)型、壓實(shí)度以及含水量對(duì)樁基關(guān)系的影響。通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)荷載的樁基關(guān)系試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬研究表明，汽車(chē)-抗撞結(jié)構(gòu)碰撞的能量耗散和失控車(chē)輛重新定向能力均受制于土結(jié)構(gòu)參數(shù)[10-12]，而沖擊載荷大小對(duì)土材料的力學(xué)特性參數(shù)的影響更為顯著。

圖3 抗撞結(jié)構(gòu)樁基關(guān)系試驗(yàn)

1.2 土材料模型研究

研究人員以不同的彈性和塑性理論模型假設(shè)，開(kāi)發(fā)了適用不同領(lǐng)域的土材料模型(以L(fǎng)S-DYNA為例)見(jiàn)表1。公路抗撞結(jié)構(gòu)樁基材料模型的研究主要側(cè)重于材料模型的遴選與定性驗(yàn)證，模型的參數(shù)來(lái)源于土工試驗(yàn)得到的參數(shù)。主要以?xún)深?lèi)試驗(yàn)為基礎(chǔ)：(1)水平靜載或準(zhǔn)靜載試驗(yàn)，見(jiàn)圖3(b)；(2)水平動(dòng)載試驗(yàn)，見(jiàn)圖3(c)。

表1 LS-DYNA土材料模型

基于靜載或準(zhǔn)靜載試驗(yàn)的研究中，學(xué)者先以樁基靜力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果的先驗(yàn)知識(shí)為基礎(chǔ)，分析比較多種材料模型的優(yōu)劣，進(jìn)而選出合適的材料模型。然后對(duì)比試驗(yàn)與仿真的樁基承載能力時(shí)間歷史曲線(xiàn)結(jié)果，從定性角度驗(yàn)證所選土材料模型的準(zhǔn)確性，如MAT005[11]，MAT024[12]，MAT173[21]和MAT193[13]等。美國(guó)陸軍工兵隊(duì)工程手冊(cè)給出了不同類(lèi)型土壤的楊氏模量、彈性剪切模量和泊松比的平均值，作為仿真模型的輸入?yún)?shù)[14]，見(jiàn)表2。

表2 土材料模型參數(shù)

基于動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)的研究中，學(xué)者利用擺錘試驗(yàn)法和臺(tái)車(chē)試驗(yàn)法分別對(duì)樁基關(guān)系進(jìn)行了實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，并利用有限元法對(duì)基于不同土材料模型(見(jiàn)表1)的樁基承載能力進(jìn)行了定性驗(yàn)證分析, 模型參數(shù)來(lái)源于土工試驗(yàn)參數(shù)[15-17]。這類(lèi)研究先基于實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，以樁基的動(dòng)力學(xué)特性為基礎(chǔ)，綜合考慮模型的本構(gòu)關(guān)系、土體損傷演化、數(shù)值穩(wěn)定性、剪脹性和屈服強(qiáng)度特性等因素，進(jìn)而挑選出合適的材料模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析。驗(yàn)證過(guò)程主要也是定性對(duì)比試驗(yàn)與仿真的時(shí)間歷史曲線(xiàn)響應(yīng)，然后結(jié)合樁基形變產(chǎn)生的位移等指標(biāo)定量評(píng)價(jià)材料模型的可靠性。

1.3 土材料模型參數(shù)研究

土材料模型參數(shù)的研究主要以土工試驗(yàn)(室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn))為基礎(chǔ)，并結(jié)合有限元仿真對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行反演校準(zhǔn)。根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的不同，主要有兩類(lèi)反演識(shí)別方法：(1)基于時(shí)間歷史數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的模型參數(shù)反演方法，如圖4(a)所示；(2)基于本構(gòu)關(guān)系曲線(xiàn)的土體參數(shù)反演方法，例如應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)等，如圖4(b)所示。

圖4 基于土工試驗(yàn)的材料模型參數(shù)校準(zhǔn)

在第1類(lèi)反演識(shí)別方法研究中，學(xué)者主要通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)等先驗(yàn)知識(shí)選定土材料模型，然后采用有限元法對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)或原位試驗(yàn)測(cè)試(如單軸拉伸、單軸壓縮等)進(jìn)行仿真模擬，再以?xún)蓷l時(shí)間歷史曲線(xiàn)之間的距離或面積作為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合一元響應(yīng)或多元響應(yīng)等逆向校準(zhǔn)方法反演出樣本土(或局部土樣)的材料參數(shù)[16]。常用的時(shí)序曲線(xiàn)有材料應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)序曲線(xiàn)，局部或峰值時(shí)間段內(nèi)材料節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)序曲線(xiàn)等。為保證模型的準(zhǔn)確性，許多不同的模型參數(shù)校準(zhǔn)方法被提出，如擬牛頓法[17]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等[18]。

2 研究不足

2.1 樁基試驗(yàn)研究不足

抗撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)均在較理想樁基關(guān)系下進(jìn)行[3-6]。兩者都無(wú)法體現(xiàn)和立柱安裝現(xiàn)場(chǎng)一致的樁基關(guān)系，使得抗撞結(jié)構(gòu)在不同實(shí)地安裝后,出現(xiàn)因樁基關(guān)系不達(dá)標(biāo)而導(dǎo)致安全性能不確定的難題，甚至更糟的情況[3-7]。如圖1所示：抗撞結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)主要是由實(shí)際安裝場(chǎng)地樁基關(guān)系較弱導(dǎo)致。此外，樁基關(guān)系與土體材料參數(shù)和沖擊載荷強(qiáng)弱等因素顯著相關(guān)。車(chē)輛撞擊護(hù)欄立柱的過(guò)程是一個(gè)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷的作用下，護(hù)欄立柱與樁基土之間的力學(xué)特性是不一樣的，現(xiàn)有的水平靜載試驗(yàn)方法不能用于檢測(cè)立柱的樁基約束條件。因此，在公路抗撞結(jié)構(gòu)推廣使用前對(duì)立柱樁基約束條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)或者室內(nèi)模擬是尤為必要的。

2.2 材料模型研究不足

基于公式(1)開(kāi)發(fā)的土材料模型，模型的應(yīng)變?cè)隽縟εij為彈性應(yīng)變?cè)隽颗c塑性應(yīng)變?cè)隽恐?，但很少考慮動(dòng)態(tài)載荷下，土的應(yīng)變率影響。此外，材料模型的定性驗(yàn)證結(jié)果也不可靠。

(1)

圖5 彈塑性行為

如表1所示，F(xiàn)HWA土模型是研究道路安全抗撞結(jié)構(gòu)相互作用而開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用模型，也是當(dāng)前最復(fù)雜的土本構(gòu)模型。該模型考慮了土體損傷演化、應(yīng)變軟化、孔隙水壓力效應(yīng)、應(yīng)變速率效應(yīng)和含水量效應(yīng)等土體特性，但在開(kāi)發(fā)應(yīng)用時(shí)忽略了應(yīng)變率的影響，而且待測(cè)參數(shù)過(guò)多，開(kāi)發(fā)時(shí)只使用一個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行定性比較，試驗(yàn)結(jié)果不具有代表性，在很多研究中也均未被準(zhǔn)確驗(yàn)證。此外其他大部分土材料模型適用于單樁或群樁的水平周期振動(dòng)荷載，與沖擊荷載有關(guān)的抗撞結(jié)構(gòu)樁基研究較少，沖擊荷載作用下橫向抗力的組成分析也很少。隨著現(xiàn)有研究的深入，無(wú)論是公路車(chē)輛碰撞還是水中的船橋碰撞，對(duì)結(jié)構(gòu)的極端沖擊載荷都在逐步增加，土體模型的研究迫切需要根據(jù)工程實(shí)際，分析沖擊載荷下，土體的動(dòng)力學(xué)行為特性。此外，有幾個(gè)材料模型考慮了土體的時(shí)變性質(zhì)、應(yīng)變率效應(yīng)[24]，但由于求計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，效率較低，也沒(méi)有用于路基安全研究的應(yīng)用實(shí)例。

2.3 反演識(shí)別方法研究不足

基于土工試驗(yàn)的反演研究主要側(cè)重模型參數(shù)的校準(zhǔn)。主要有如下局限性：

土工試驗(yàn)只能得到局部或采樣土的土體參數(shù)，忽略了抗撞結(jié)構(gòu)樁基的三維壓力作用，得到的參數(shù)并不適用于大規(guī)模實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)有限元模擬研究。基于土體應(yīng)力-應(yīng)變等本構(gòu)關(guān)系曲線(xiàn)的模型參數(shù)反演識(shí)別方法，忽略了土體動(dòng)力學(xué)特性的時(shí)間效應(yīng)、即應(yīng)變率效應(yīng)，反演得到的參數(shù)可能高于或低于實(shí)際的土體參數(shù)?；跁r(shí)間歷史曲線(xiàn)的參數(shù)反演測(cè)試方法，以?xún)蓷l曲線(xiàn)之間的距離值作為目標(biāo)函數(shù)的反演方法，缺點(diǎn)在于忽略了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)的時(shí)變性和動(dòng)態(tài)相關(guān)性，沒(méi)有綜合考慮兩條曲線(xiàn)的幅度、相位、形狀誤差，無(wú)法對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行解釋?zhuān)浞囱萁Y(jié)果不一定準(zhǔn)確。當(dāng)兩條曲線(xiàn)長(zhǎng)度不一致時(shí)，也無(wú)法對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，具有局限性。

公路抗撞結(jié)構(gòu)樁基材料模型參數(shù)的研究，往往先基于局部土樣(或樣本土)土工試驗(yàn)的材料參數(shù)反演識(shí)別方法得到土體測(cè)試參數(shù)，進(jìn)而結(jié)合大規(guī)模實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)對(duì)樁基材料模型進(jìn)行定性的驗(yàn)證研究。不同于土工試驗(yàn)的單一載荷，碰撞試驗(yàn)沖擊載荷影響面廣，土體需考慮擠壓、剪切、膨脹和軟化等三維壓力作用，還要考慮樁基周?chē)滞恋拇笞冃?、大?yīng)變、大轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，目前抗撞結(jié)構(gòu)樁基關(guān)系材料模型及參數(shù)反演研究需要考慮抗撞結(jié)構(gòu)的實(shí)際物理試驗(yàn)與有限元仿真之間時(shí)間數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的動(dòng)態(tài)特性定量量化方法，同時(shí)還考慮材料模型和模型參數(shù)的耦合性，對(duì)兩者進(jìn)行綜合反演分析，以便得到最合適的材料模型及參數(shù)。

3 研究措施

得益于LS-DYNA等計(jì)算機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，樁基關(guān)系問(wèn)題得到有效研究和分析。但樁基關(guān)系中土材料模型的試驗(yàn)、選擇與模型校準(zhǔn)仍然是樁基關(guān)系設(shè)計(jì)及使用的難點(diǎn)。有必要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 樁基約束條件試驗(yàn)系統(tǒng)研究

大力開(kāi)展抗撞結(jié)構(gòu)樁基約束條件檢測(cè)的研究，并立足于我國(guó)公路安全設(shè)施設(shè)計(jì)法規(guī)，完善樁基系統(tǒng)的實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)及有限元建模，設(shè)計(jì)合理地樁基關(guān)系。

在抗撞結(jié)構(gòu)等防護(hù)安全設(shè)施安裝使用前，需要對(duì)樁基約束條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。但由于在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷的作用下，樁基土的動(dòng)力學(xué)性能與參數(shù)不一致，因此水平靜載試驗(yàn)方法并不能應(yīng)用于立柱樁基約束條件的檢測(cè)。另一方面，可利用相關(guān)硬件設(shè)備：包括私人定制臺(tái)車(chē)、加速度計(jì)、壓力帶狀開(kāi)關(guān)、高速和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)以及靜態(tài)攝像機(jī)，對(duì)不同道路安裝環(huán)境(中央分隔帶和路側(cè))和碰撞條件下的樁基關(guān)系組織室內(nèi)臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 樁基約束條件試驗(yàn)系統(tǒng)

首先，基于《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》和《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》等法規(guī)，對(duì)公路護(hù)欄等防撞設(shè)施安裝環(huán)境和設(shè)置要求進(jìn)行分析。然后總結(jié)不同防撞等級(jí)的護(hù)欄碰撞試驗(yàn)規(guī)定，開(kāi)展實(shí)際交通車(chē)輛與中央分隔帶(圖6(a))和路側(cè)(圖6 (b))等抗撞結(jié)構(gòu)樁基關(guān)系的試驗(yàn)。再調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)車(chē)的質(zhì)量、速度、沖擊高度，以公式(2)[25]對(duì)臺(tái)車(chē)試驗(yàn)和實(shí)際交通車(chē)輛試驗(yàn)中的樁基關(guān)系進(jìn)行匹配，完成室內(nèi)模擬試驗(yàn)規(guī)劃。

(2)

式中，F(xiàn)C為實(shí)際車(chē)輛平均碰撞力；Ft為臺(tái)車(chē)平均碰撞力；MA為樁基試驗(yàn)中立柱力矩臂；Emb為樁基試驗(yàn)中立柱埋深。

通過(guò)試驗(yàn)得到的樁基承載能力的時(shí)間歷史曲線(xiàn)，以定量對(duì)比結(jié)果作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而利用子結(jié)構(gòu)法建立室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，最后組織碰撞試驗(yàn)以獲取不同沖擊載荷條件下，土體損傷演化過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。與碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的反演識(shí)別法將基于實(shí)際試驗(yàn)，對(duì)土材料模型參數(shù)進(jìn)行反演識(shí)別，從而對(duì)樁基約束條件進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 土材料模型研究

土作為公路的重要載體，其動(dòng)力學(xué)特性十分復(fù)雜。不同載荷下的同一種土體，也會(huì)表現(xiàn)出不同的應(yīng)力路徑依賴(lài)性，即應(yīng)變率效應(yīng)。故應(yīng)從實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)出發(fā)，結(jié)合文獻(xiàn)研究和理論分析，開(kāi)發(fā)或選擇合理的土材料模型來(lái)模擬樁基關(guān)系。

根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告總結(jié)，土體動(dòng)力學(xué)特性不僅隨含水量、壓實(shí)度和粒徑的變化而變化，也與立柱受沖擊的車(chē)輛載荷有關(guān)[26-27]。沖擊載荷越大，樁基作用反力的初始峰值力，以及初始峰值力之后的作用反力均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而在同一載荷的持續(xù)剪切作用下，作用反力會(huì)逐漸減小，如圖7所示。土體含水量和黏性也會(huì)增大其應(yīng)變率效應(yīng)，含水量越多或者黏性越大，應(yīng)變率效應(yīng)越明顯。目前的土材料模型均基于彈性理論和塑性分析假設(shè)，假定應(yīng)力-應(yīng)變路徑與應(yīng)變率無(wú)關(guān)，或者影響很小可以忽略不計(jì)，在剪切失效后期也很少考慮模型的剪切應(yīng)力軟化，這與實(shí)際道路土材料力學(xué)特性研究情況不完全相符。從工程實(shí)際出發(fā)，抗撞結(jié)構(gòu)樁基材料模型必須考慮土的應(yīng)變率效應(yīng)和連續(xù)剪切產(chǎn)生的應(yīng)變軟化效應(yīng)。

圖7 臺(tái)車(chē)碰撞力與位移曲線(xiàn)

結(jié)合實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)和土材料模型理論分析研究，立柱受動(dòng)力載荷時(shí)，土體的動(dòng)極限抗力總是大于其靜極限抗力，載荷越大，抗力變化越明顯。因此，理想地基材料模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)應(yīng)大致符合圖8所示趨勢(shì)。其他條件不變，峰值剪切應(yīng)力和殘余剪切應(yīng)力均隨臺(tái)車(chē)沖擊速度的增大而增加。同一沖擊速度的臺(tái)車(chē)-樁基碰撞試驗(yàn)，殘余剪切應(yīng)力隨位移或剪切應(yīng)變的增加先到達(dá)峰值剪切應(yīng)力，然后保持一段時(shí)間不變，后期則隨之減小。

圖8 理想的地基應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

基于混凝土加載試驗(yàn)的有限元驗(yàn)證分析，有幾種材料模型充分考慮了材料的應(yīng)變率效應(yīng)、側(cè)限(或圍壓)效應(yīng)和剪切軟化特性[28-29]，如MAT016，MAT072R3，MAT084，MAT159，MAT272，初步符合道路樁基關(guān)系研究的需要。所有模型均采用三不變量的各向同性非線(xiàn)性彈塑性假設(shè)，屈服(破壞)函數(shù)的一般形式為：

Y(I1,J2,J3)=0，

(3)

式中，I1是應(yīng)力張量的第一不變量，描述了體積響應(yīng)關(guān)系；J2、J3是剪應(yīng)力張量的第二和第三不變量，描述了剪切響應(yīng)關(guān)系。

3.3 土材料模型參數(shù)反演識(shí)別方法研究

亟需一種基于樁基實(shí)際碰撞試驗(yàn)的材料模型參數(shù)反演識(shí)別方法，對(duì)材料模型及參數(shù)同時(shí)進(jìn)行反演識(shí)別，以便充分考慮各部分變量的耦合影響。

針對(duì)抗撞結(jié)構(gòu)樁基材料模型及參數(shù)的反演研究方法的不足，存在兩點(diǎn)需要改進(jìn)：(1)材料模型與模型參數(shù)相互耦合，且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果均有極大的影響?；诰植客翗?或樣本土)得到的測(cè)試參數(shù)無(wú)法直接用于碰撞試驗(yàn)，樁基大變形時(shí)的材料模型參數(shù)輸入。(2)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)響應(yīng)為時(shí)間歷史數(shù)據(jù)，具有極強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性和時(shí)變性。簡(jiǎn)單計(jì)算兩條曲線(xiàn)距離的評(píng)價(jià)方法不具有說(shuō)服力，曲線(xiàn)的幅度、相位和形狀等特征均應(yīng)該納入評(píng)價(jià)指標(biāo)。

以動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離等能度量不等長(zhǎng)時(shí)序曲線(xiàn)綜合誤差的算法作為目標(biāo)函數(shù)、結(jié)合智能優(yōu)化算法和雙層優(yōu)化思路的反演識(shí)別方法，將從定量的角度優(yōu)選出最合適模型及其參數(shù)，如圖9所示。

圖9 反演識(shí)別法流程圖

如圖9所示：第1層參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)以碰撞試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合仿真分析搜尋不同材料模型的最合適參數(shù)。首先，以子結(jié)構(gòu)法建立臺(tái)車(chē)-樁基碰撞試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑦M(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。其次以臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離算法構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)Oi(p)。然后結(jié)合優(yōu)化算法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行最優(yōu)化求解，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)Oi(p)值收斂時(shí)，即得到了該模型的最合適參數(shù)，并記錄當(dāng)前模型M(i)的材料參數(shù)。第2層優(yōu)化嵌套第1層參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，目標(biāo)是優(yōu)選出最合適的材料模型。首先通過(guò)第1部分的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到各材料模型最合適的模型參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)值Oi(p)。然后對(duì)5個(gè)目標(biāo)函數(shù)值Oi(p)進(jìn)行分析比較，優(yōu)選出其中的最小值，此時(shí)該值對(duì)應(yīng)的材料模型及參數(shù)即為最合適的材料模型參數(shù)。

4 結(jié)論

有限元法能有效分析樁基相互作用的三維問(wèn)題，為研究者提供全面的應(yīng)力-應(yīng)變行為、能量變化、實(shí)際的破壞情況和復(fù)雜的物理響應(yīng)等詳細(xì)的試驗(yàn)過(guò)程信息，有助于抗撞結(jié)構(gòu)樁基關(guān)系研究的參數(shù)化分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷革新，其計(jì)算效率不斷提高，研究者們致力于利用有限元法對(duì)抗撞結(jié)構(gòu)樁基相互作用進(jìn)行建模分析與研究。研究道路抗撞結(jié)構(gòu)樁基關(guān)系中土體的材料模型，測(cè)量土材料模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，成為抗撞結(jié)構(gòu)樁基關(guān)系設(shè)計(jì)研究亟待解決的問(wèn)題，并對(duì)道路本質(zhì)安全性建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義。