[发明专利]一种基于ABAQUS的根土复合体有限元模型的建模方法

说明书

一种基于ABAQUS的根土复合体有限元模型建模方法，属于边坡防护研究技术领域，利用拔出盒进行拔出试验获得根系拔出的力学曲线，通过Cohesive Surface和Coulomb Friction相结合的方式模拟根土相互作用，由拔出试验获得根土作用属性，并通过模拟拔出试验过程对模型进行初步验证，之后通过对比直剪试验与仿真的Mohr‑Coulomb参数来确定模型的准确性，结果表明此方法构建的有限元模型能够准确描述根土复合体的力学性质和加筋原理。本发明能够提高根土复合体有限元模型的准确性，经直剪试验验证仿真结果和试验值误差不超过5％。为工程设计提供参考。

技术领域

本发明属于边坡防护有限元建模技术领域，尤其涉一种基于ABAQUS的根土复合体有限元模型建模方法。

背景技术

大量的人工边坡和自然灾害会造成严重的水土流失和土壤滑坡，植物根系对不稳定斜坡具有加固作用，生态固坡工程能够减少相关自然风险带来的损失。为了能够更加深入的了解根系对土壤的加固作用，许多学者对根土复合体加筋机理的研究工作不断深入，不仅通过试验，也从数值模拟的角度研究根系对土壤性能的影响。所以需要建立一种准确合理的根土复合体有限元模型，在模型的建立过程中根土之间相互作用的模拟方式尤其重要。

目前常用的有限元根土相互接触方法包括根系采用梁单元建模之后嵌入土壤模块的方法，和根系采用实体单元，使用节点与节点(NTN)、三节点线元素(LE)和点对面(NTS)等方式对根土相互作用进行描述的方法。

以上方法均存在着各自的缺陷，梁单元方法只能考虑根系和土壤本身的性质，基于根系滑移不是直接发生在根土界面，而是发生在根系周围的相邻颗粒中的原理，无法对根土滑移力进行正确的表述；余下三种采用实体单元的方法无法在根土界面产生大位移且考虑根土黏附作用的条件下使用。需要一种更准确的三维条件下考虑根系和土壤颗粒之间黏附与摩擦的相互作用模型。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于ABAQUS的根土复合体建模方法。

一种基于ABAQUS的根土复合体建模方法，将根土之间的相互作用分为黏附力和摩擦力两部分，如图1所示，用Cohesive Surface和Coulomb Friction相结合复合作用的方式来模拟，同时发明了一种方便于MTS万能试验机使用的拔出试验盒。该方法包括以下步骤：

步骤一、如图2、图3和图4所示，利用拔出盒进行拔出试验获得根系拔出的力学曲线；

步骤二、利用步骤一获得的试验数据得出有限元根土接触属性，利用ABAQUS对根土复合体拔出试验进行仿真模拟，得出相应的拔出力和位移曲线并与试验进行对比验证模型的有效性；

步骤三、利用步骤二得出的有限元根土接触属性建立直剪试验有限元模型，得出相应的Mohr-Coulomb参数并与试验结果进行对比，进一步验证模型的有效性。

所述的步骤二建模具体步骤如下：

2.1)使用ABAQUS建立根系和土壤模型，进行装配；

2.2)使用通用接触添加Coulomb Friction模型；使用通用接触里面独立截面材料赋予选项添加Cohesive Surface模型；

2.3)施加位移边界条件及载荷边界条件

所述的步骤三验证具体步骤如下：

3.1)将仿真结果输出拔出力和位移数据与步骤一中的拔出实验结果进行对比；

3.2)进行直剪试验和相应的仿真

3.3)将直剪试验和仿真输出的剪切力和位移进行对比；

3.4)绘制剪切应力和轴向载荷曲线，通过对比仿真与试验的Mohr-Coulomb模型参数验证模型的有效性。