面向對象的鐵路路基加固設計系統集成與實現

付成華,周洪波

(1.西華大學能源與環境學院,四川 成都 610039;2.二灘水電開發有限責任公司,四川 成都 610051)

近年來,我國交通運輸事業發展迅速,運營速度的提高對路基沉降變形控制的要求也越來越高。傳統的路基沉降計算模式不僅速度較慢、容易出錯,而且傳統的路基沉降計算方法在計算精度上也存在一定的局限性[1]。國內針對建筑地基沉降計算的軟件很多,但專門用于鐵路或公路路基的沉降計算軟件比較少,路基處理中的有些問題和工程措施只能在計算中粗略地考慮或用經驗加以彌補。隨著客運專線和高速公路的快速發展,現有的路基沉降變形計算程序越來越難以滿足實際生產中對計算精度和效率的要求,因此,改變計算模式,改進計算方法,集成開發一套具有高效和高技術起點的系統,為設計生產提供有力的技術支撐勢在必行。

筆者基于面向對象技術、可視化技術和數據庫管理技術集成開發了鐵路路基加固設計系統。整個系統采用模塊化設計,包括數據庫管理模塊、常規設計計算模塊、有限元計算模塊和反饋分析模塊,既有利于軟件的開發和維護,又可極大地方便用戶,減少出錯的可能性[2-4]。系統改進了鐵路路基加固設計的常規計算模式,豐富了計算方法,對計算過程中大量數據信息進行有效分類管理,整個計算過程通過用戶和界面交互完成,方便快捷、實用。

1 系統結構及功能

系統采用VB語言編制,其中計算功能通過集成調用程序實現。每個模塊相對獨立,具有特定功能。模塊又由一個或多個子模塊組成,模塊間存在一定聯系,由上一層模塊或主控模塊調用,形成一個有機整體,模塊功能結構如圖1所示。

圖1 系統功能模塊

a.數據庫管理模塊:對工程信息(線路、地質、材料參數、實測沉降等)、計算數據進行管理,可實現數據輸入與瀏覽、圖形瀏覽與處理、信息查詢、表格輸出、文件轉換等功能。

b.常規設計計算模塊:分解、提取設計資料,自動建立計算模型;根據計算模型和實際需要,選擇計算模式進行路基加固的常規設計計算,并輸出計算結果。

c.有限元計算模塊:對計算域進行有限元網格的自動剖分,施加約束條件和荷載,有限元計算可得路基計算域的應力和位移,并可給出不同時段各地層的固結度和關鍵部位的沉降等信息,與常規設計計算形成互補。

d.反饋分析模塊:根據實測沉降值反演路基土層主要力學參數,再由反演所得參數進行正分析,提高路基加固設計計算的精度,對后期路基沉降變形進行預報。

2 系統的實現

2.1 常規設計計算

2.1.1 計算方法

鐵路路基加固常規計算采用分層總和法,將地基沉降計算深度內的土層按土質、應力變化情況和基礎大小劃分為若干分層,分別計算各分層的壓縮量,然后求其總和得出地基沉降量[5]。分層總和法簡單易行,對參數的要求不高,積累了大量的實踐經驗。本系統常規設計計算中能考慮一些常用的工程措施,可進行天然地基和復合地基的沉降計算;能實現整個斷面從左至右、從上至下的沉降計算,也能自動從路基的左側坡腳開始對某個間隔寬度的點進行沉降計算;在每個點的計算中,亦能從上至下按樁長每次遞增一定深度進行沉降計算,給出橫向不同點、豎向不同樁長的計算結果;此外,能考慮堆載預壓措施,可根據需要進行地基承載力的寬深修正,根據土工試驗資料提供的 e-p曲線修正各土層的壓縮模量,提高計算精度。

2.1.2 計算模式

鐵路路基沉降計算的傳統步驟為“選取典型斷面→確定計算點→量取幾何參數→輸入地質參數→確定工程措施→輸入計算參數→計算分析→輸出計算結果”,計算模式單一,針對實際路基工程需要進行大量重復性工作,且數據量大,計算過程容易出錯。

系統可自動生成線路整個區間的計算模型,無需用戶重復輸入地質參數和幾何參數,保證表格與圖形的準確性和質量,極大地提高了工作效率。常規設計計算模塊中考慮不同的條件設置了單點計算、斷面計算和區間計算3種計算模式,將路基沉降計算的傳統步驟簡化為“選擇計算類型→從數據庫中提取計算模型→設置計算參數→計算分析→結果顯示”,用戶可根據實際需要選擇計算模式,計算過程中的大量數據通過數據庫管理,減少了重復性工作和出錯的可能性,解決了單一斷面計算模式與緊迫工期間的矛盾,提高了計算效率。將鐵路路基加固設計系統應用于成綿樂鐵路的沉降計算,其中DK432+100斷面基本信息如圖2所示,天然路基沉降計算結果如圖3所示,承載力復核結果如圖4所示。

圖2 斷面基本信息顯示

2.2 有限元法計算

圖3 天然路基沉降計算結果顯示

圖4 承載力復核結果顯示

常規設計計算采用的分層總和法有其優勢亦有一定的缺陷,如附加應力的計算基于Boussinesq理論(假定路基是均質的彈性體),與實際情況存在一定的誤差;計算無法給出各個地層在不同時段的沉降完成百分比(目前生產設計中仍然采用經驗法確定);無法預測合適的加載時間等[6]。常規設計計算方法對于一般的簡單路基工程很適用,但隨著客運專線和高速公路的發展,對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準為毫米級,這樣,當前常規設計計算的精度與實際工程建設中的沉降控制標準之間的矛盾也將越來越突出,因此系統引入有限元計算模塊,實現與常規設計計算的互補。

有限元計算模塊通過集成網格自動剖分程序、以土體Bingham黏塑性應變模型和彈黏塑性Biot固結理論為基礎的有限元程序[9]實現。考慮土體固結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合路基,計算路基應力場和位移場,與常規設計計算的結果進行對比分析;可以計算各土層在不同時段的固結度以及工后沉降[7]等,解決一些常規設計計算方法難以解決的問題,便于在生產設計中直接與規范標準進行比較,與常規設計計算實現互補。另外,有限單元法易于與智能反饋分析方法結合進行巖土體力學參數的反演和路基沉降的預報,提高設計計算的精度。

系統中有限元法計算的具體步驟如下:

a.建立有限元模型。從數據庫中提取需進行有限元計算的斷面冠號和里程,以及相關的參數信息,選取合理的計算范圍生成計算斷面模型,自動剖分有限元網格并輸出計算所需的單元節點信息。亦可以借助其他商業軟件(如ANSYS)建模,直接提取有限元網格數據。

b.有限元計算。在有限元模型上施加約束條件和荷載,進行有限元計算。

c.計算結果顯示。通過有限元計算除了得出計算域的應力場、位移場外,還可給出各個地層鋪軌時的固結度以及路基面上各點的工后沉降。

對成綿樂鐵路DK432+100斷面按照上述步驟進行有限元計算,其中路基各層的固結度及路基面各結點的工后沉降如圖5所示。

圖5 有限元計算結果

2.3 反饋分析

根據實測沉降反演確定的路基土層主要力學參數,能反映巖土體的力學性質及各種因素的綜合作用。利用這些反演確定的力學參數進行計算,既可以提高設計計算的精度[10-11],又可對路基工程的后期固結沉降進行預報,進一步指導設計和施工。

系統的反饋分析包括參數反演和沉降預報兩部分。具體實現步驟如下:

a.根據經驗和實際斷面資料分析,確定來自一個或多個土層的待反演參數的范圍和水平數,采用正交設計或均勻設計組合待反演參數。

b.針對不同的參數組合分別進行有限元計算,將計算所得測點沉降作為神經網絡的輸入,這些參數組合作為神經網絡的輸出,組建神經網絡的訓練樣本,輸入神經網絡訓練直至滿足精度要求。

c.將實測沉降輸入訓練好的神經網絡,神經網絡的輸出即為待反演力學參數的反演結果。

d.根據反演確定的力學參數再對天然路基或復合路基進行有限元計算,得到不同時段的沉降,實現路基后期固結沉降的預報。

根據上述步驟反演成綿樂鐵路DK432+100斷面土層1的彈性模量,結果為3.49MPa(圖 6),與建議值3.5MPa間誤差很小,效果較好。進一步預報沉降如圖7所示。

圖6 反演計算結果

圖7 測點沉降預報值與實測值對比

3 系統特點

鐵路路基加固設計系統的流程為“數據輸入→模型建立→設計計算→成果顯示”。該系統具有以下特點:

a.計算模式先進,計算效率高。將傳統路基加固設計計算模式改進為面向對象交互設計計算模式,設計計算流程通過界面來完成;將常規設計傳統單一斷面計算模式改進為多方式多途徑的計算模式,簡化了設計流程,可方便快捷地提供計算結果,有利于設計者做出合理、正確、經濟的工程方案,提高設計效率和設計質量。

b.技術起點高,計算方法多樣。系統集成采用了面向對象技術和數據庫管理技術,同時實現了與Fortran,Excel,AutoCAD,ANSYS等常用軟件的連接;設計計算采用了常規計算方法,亦采用了廣泛應用的有限元法;采用神經網絡方法反演確定路基土層主要力學參數。

c.簡單、靈活、實用。整個設計計算通過界面完成,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離散,也可以借助其他商業軟件(如ANSYS)建模后直接導入。系統采用模塊化設計,各模塊具有獨立完整的流程,既可獨立又可與其他模塊關聯,易于維護與擴充。

4 結 語

鐵路路基加固設計系統采用面向對象技術和數據庫管理技術實現鐵路路基工程的常規設計計算、有限元法計算和反饋分析功能,計算模式、方法多樣,計算效率高,且簡單、靈活,可保證路基加固設計工作的效率與質量,為路基加固設計提供新的計算理論、方法和工具,又可為相關的研究提供支撐,具有廣闊的應用前景。

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