本发明属于岩土工程，尤其是涉及一种深层碎石桩复合地基跨尺度力学特性及稳定性测量方法。
背景技术：
1、当前国内外采用的可液化地基处理技术中，碎石桩法被认为是最经济和抗液化内涵最全面的技术手段，具有加速超静孔压消散的排水效应和分担桩间土地震剪应力水平的减震效应。在碎石桩复合地基中，桩体材料渗透性比地基土更大，在地震过程中和震后可以作为排水通道，缩短渗流路径，改善排水条件。因此，可加速地震时场地超静孔隙水压力消散，使振动时孔压增长和消散同时发生，降低孔压峰值，提高处理地基的抗液化能力。
2、碎石桩广泛用于电厂、路基、水电站等工程，场地范围大，多尺度均匀化方法比传统方法更能节省建模的工作量；碎石桩的使用量通常达到数千根以上，没有必要对单根桩精确分析，可以进行均匀化的处理，将整个复合地基认定为粗尺度模型，单根桩及桩周土组成的典型单元认定为细尺度模型，粗尺度远远大于细尺度。碎石桩分布具有周期性，碎石桩往往是等间距成桩，细尺度上分布规则，具有几何周期性。同时，变形不大时，可以认为变形协调，具有变形周期性。正因碎石桩复合地基粗细尺度相差大、桩分布具有周期性这两大特点，为多尺度方法的实现提供了可能。碎石桩复合地基的以上特点决定了在对其进行数值分析时，采用传统的有限元方法对单根碎石桩精确建模变得非常困难，甚至不可行，也完全没有必要。
3、目前在数值模拟过程中大多将复合地基看作一种能够反映碎石桩和土体性质的均匀介质，从而简化建模和计算的过程，这种等效方法无法有效在细尺度上考虑超静孔压的加速消散以及桩间土地震剪应力的分担，且不能体现碎石桩在空间分布上的各向异性。
技术实现思路
1、为了有效改善深层碎石桩复合地基跨尺度力学特性及稳定性分析方法的不足，本发明的目的在于设计了一种深层碎石桩复合地基跨尺度力学特性及稳定性测量方法。
2、本发明技术方案如下，包括以下步骤：
3、步骤s1：创建三维模型
4、利用三维建模软件分别建立待测地基的粗尺度模型和细尺度模型；
5、所述的粗尺度模型为以整个待测地基为原型的模型，粗尺度模型的尺寸可至数千米，所述的细尺度模型为以待测地基中的单根桩以及该桩周围的土体为原型的模型，细尺度模型的尺寸一般为数米，所述的待测地基为深层碎石桩复合地基，所述的桩为碎石桩；
6、步骤s2：网格划分
7、将粗尺度模型进行网格划分，并将网格划分后的粗尺度模型与细尺度模型进行对应，以获得待测地基的网格文件；
8、步骤s3：计算软件前处理
9、利用流体动力学软件cfd、离散元软件dem和有限元软件fem分别读取网格文件，然后利用fem、dem和cfd耦合计算分析获得细尺度模型的应力条件和刚度条件；
10、步骤s4：分析后迭代计算
11、利用有限元软件fem读取网格划分后的粗尺度模型的建模数据，同时读取细尺度模型的应力条件和刚度条件，再利用有限元软件fem进行粗尺度模型的迭代计算，最终得到粗尺度模型的应力和应变结果；
12、步骤s5：结果分析
13、根据步骤s4得到的粗尺度模型的应力和应变结果，分析待测地基的受力特性和变形特性。
14、所述的步骤s2具体为：
15、利用网格划分软件将粗尺度模型划分成若干个均匀的网格单元，并保存网格划分后的粗尺度模型的建模数据，然后将各个网格单元中的积分点与一个细尺度模型相对应，并计算得到待测地基的网格文件。
16、所述的步骤s3具体为：
17、步骤s31：首先利用流体动力学软件cfd、离散元软件dem和有限元软件fem分别读取步骤s2中获得的网格文件，并在cfd、dem和fem中均设定相同的初始流场、初始颗粒位置、初始颗粒速度和固定的步长；
18、所述的初始流场为桩间土体中液体的初始流场，颗粒包括和桩中的碎石，步长为有限元计算中的时间步长；
19、步骤s32：首先利用有限元软件fem计算出桩间土体的运动位置和速度结果，然后将fem计算出的土体的运动位置和速度结果带入离散元软件dem中，并通过dem计算出桩中碎石的运动位置和速度结果，将dem计算出的碎石的运动位置和速度结果带入流体动力学软件cfd中，最后利用流体动力学软件cfd计算出细尺度模型的应力条件和刚度条件。
20、所述步骤s32中利用流体动力学软件cfd计算出细尺度模型的应力条件和刚度条件，具体操作为：
21、在流体动力学软件cfd中分别建立出细尺度模型的应力条件和刚度条件的控制方程，并给定两个控制方程的初始条件和边界条件，最后通过给定的初始条件和边界条件计算出细尺度模型的应力条件和刚度条件。
22、所述步骤s32中的控制方程为考虑颗粒作用修正后的纳维-斯托克斯方程navier-stokes方程。
23、所述步骤s1中的粗尺度模型为桩均匀布置的有限元模型。
24、本发明流程图如图2所示，拟在细尺度下通过fem-dem-cfd耦合方法真实反映碎石桩排水减震效应，体现桩和土的力学性质和相互作用。在粗尺度上将碎石桩复合地基视为均匀有限元模型，在碎石桩部分通过构建相应函数将细尺度的力学特性和粗尺度的变形联系起来，从而通过多尺度实现地震作用下坝基稳定性的动态模拟。
25、具体解决思路如下：在碎石桩及桩间土部分通过构建相应函数将细尺度的力学特性和粗尺度的变形联系起来，通过多尺度分析方法实现地震作用下深层碎石桩复合地基的动力响应模拟。碎石桩复合地基通常包含的桩数较多，以整个复合地基为粗尺度模型，单根桩及桩周土组成的典型单元为细尺度模型。在粗尺度上将碎石桩复合地基视为均匀有限元模型，从而将其剖分成均匀化单元，在碎石桩分布的位置每个粗尺度单元的积分点都一一对应细尺度的代表体积单元。细尺度代表体积单元模型由碎石桩及桩周土组成，通过fem-dem-cfd耦合方法真实反映碎石桩排水减震效应，考虑到了超静孔压的加速消散以及桩间土地震剪应力的分担。在多尺度分析的过程中，每一个增量步都由粗尺度模型向细尺度模型输出应变增量，完成细尺度模型计算后，将均匀化的应力和刚度返还给粗尺度模型，再进行粗尺度模型增量的迭代计算。这样，应力应变关系、应力路径、应变局部化等因素都只反映在细尺度模型中。计算的过程中，需要判断节点的广义位移是否满足收敛条件。如果粗尺度模型输出的分析步和增量步的编号都没有发生变化，那么上一步分析不收敛，需要重新迭代；否则就是收敛的，可以进行下一个增量步的计算。跳出迭代循环至下一时间步时相应获得当前时间下模型的位移、应力、应变、孔隙流体压力、流速。为了体现应力路径的影响，需要记录每一个增量步的应力信息，因此需要保存每一个增量步的细尺度模型计算结果。
26、本发明的有益效果为：
27、1、在细尺度上建立单根碎石桩及桩周地基土的代表体积单元，可以考虑碎石桩复合地基超静孔压加速消散和桩间土剪应力分担的现象，比较好地克服传统设计方法不能体现其各向异性的不足，使得模拟结果更加接近真实工况。
28、2、粗尺度上认为碎石桩复合地基是周期性的均匀模型，从而剖分成均匀化的单元，每个积分点对应一个细尺度的代表体积单元，其在形成刚度矩阵的过程中是相互独立的，可通过并行计算的方法，在全方位考虑碎石桩排水减震效应耦合作用的同时兼顾计算效率。
29、3、细尺度上考虑二元材料各向异性、变形局部化、应力路径等因素，粗尺度上刚度矩阵由细尺度模型均匀化的刚度得到，仅需考虑受力和变形，不需要特定的本构模型。
1.一种深层碎石桩复合地基跨尺度力学特性及稳定性测量方法，其特征在于：方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种深层碎石桩复合地基跨尺度力学特性及稳定性测量方法，其特征在于：所述的步骤s2具体为：
3.根据权利要求1所述的一种深层碎石桩复合地基跨尺度力学特性及稳定性测量方法，其特征在于：所述的步骤s3具体为：
4.根据权利要求3所述的一种深层碎石桩复合地基跨尺度力学特性及稳定性测量方法，其特征在于：所述步骤s32中利用流体动力学软件cfd计算出细尺度模型的应力条件和刚度条件，具体操作为：
5.根据权利要求4所述的一种深层碎石桩复合地基跨尺度力学特性及稳定性测量方法，其特征在于：所述步骤s32中的控制方程为考虑颗粒作用修正后的纳维-斯托克斯方程navier-stokes方程。
6.根据权利要求1所述的一种深层碎石桩复合地基跨尺度力学特性及稳定性测量方法，其特征在于：所述步骤s1中的粗尺度模型为桩均匀布置的有限元模型。
