(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210654400.9 (22)申请日 2022.06.10 (71)申请人 石家庄铁道大 学 地址 050000 河北省石家庄市北二环东路 17号 (72)发明人 赵存宝　王子琦　张雯玥　 (74)专利代理 机构 石家庄德皓专利代理事务所 (普通合伙) 1312 9 专利代理师 王梦幻 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于正交试验和有限元分析的挤扩支盘桩 优化设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于正交试验和有限元分 析的挤扩支盘桩优化设计方法， 方法包括： 根据 优化目标确定设计四因素三水平的正交试验表， 并根据正交试验表得到的9组挤扩支 盘模型桩的 结构参数； 通过有限元软件基于土体模型参数和 9组挤扩支 盘模型桩的结构参数进行数值仿真计 算得到9组仿真结果， 将仿真结果记录到正交试 验表中； 根据9组仿真结果获得在竖向承载性能 为评价指标下的挤扩支盘模型桩优化设计参数 一； 根据最优设计参数一和9组挤扩支盘模型桩 的结构参数获得在经济效能为评价指标下的优 化设计参数二； 基于优化设计参数一和优化设计 参数二得到最优设计参数， 根据最优设计参数设 计挤扩支盘模型桩。 本发明方法简单， 结果科学 有效。 权利要求书2页 说明书9页 附图9页 CN 115203784 A 2022.10.18 CN 115203784 A 1.一种基于正交试验和有限元分析的挤扩支盘桩优化设计方法， 其特征在于， 所述方 法包括： （1） 根据优化目标确定设计四因素三水平的正交试验表， 并根据正交试验表得到9组挤 扩支盘模型桩的结构参数， 其中四因素为支盘个数、 支盘直径、 支盘挤扩角和支盘间距， 所 述优化目标为 挤扩支盘模型桩的竖向承载性能； （2） 通过有限元软件基于土体模型参数和9组挤扩支盘模型桩的结构参数进行数值仿 真计算， 得到9组仿真结果， 将9组仿真结果记录 到正交试验表中； （3） 根据9组仿真结果获得在竖向承载性能为评价指标下的挤扩支盘模型桩优化设计 参数一； （4） 根据最优设计参数一和9组挤扩支盘模型桩的结构参数获得在经济效能为评价指 标下的优化设计参数二； （5） 基于优化设计参数一和优化设计参数二得到最优设计参数， 根据最优设计参数设 计挤扩支盘模型桩。 2.根据权利要求1所述的一种基于正交试验和有限元分析的挤扩支盘桩优化设计方 法， 其特征在于， 步骤 （2） 包括： 步骤201、 获取土体模型参数， 其 通过前期土工实验得到； 步骤202、 将土体模型参数、 以及基于正交试验表得到的9组挤扩支盘模型桩结构参数 输入至有限元 软件中建模， 得到9个土体 ‑桩装配模型； 步骤203、 有限元软件根据对称性原理， 数值模拟建模采用1/4模型进行模拟， 对每个装 配模型的挤扩支盘模 型桩桩顶分级施加相同的静载荷， 进行数值模拟 仿真， 得到9组不同工 况下的竖向沉降量仿真结果； 步骤204、 将仿真结果记录 到正交试验表中。 3.根据权利要求1所述的一种基于正交试验和有限元分析的挤扩支盘桩优化设计方 法， 其特征在于， 步骤 （3） 包括： 步骤301、 对9组仿真结果进行 方差分析， 得到每 个水平对应的均值与极差； 步骤302、 基于每个水平对应的均值与极差得到每种优化因素下竖向沉降量最小值对 应的最佳 水平参数值， 获得在承载性能为评价指标 下的挤扩支盘模型桩 优化设计参数一。 4.根据权利要求1所述的一种基于正交试验和有限元分析的挤扩支盘桩优化设计方 法， 其特征在于， 所述方法步骤 （4） 包括： 步骤401、 根据最优设计参数和9组挤扩支盘模型桩的结构参数对应的试验方案进行竖 向载荷性能测试， 得到10组荷载沉降数据， 每组荷载沉降数据均与一组挤扩支盘模型桩的 结构参数相对应； 步骤402、 根据10组荷载沉降数据得到10条荷载沉降曲线， 并根据10条荷载沉降曲线获 得在经济效能为评价指标 下的优化设计参数二。 5.根据权利要求4所述的一种基于正交试验和有限元分析的挤扩支盘桩优化设计方 法， 其特征在于， 所述 步骤402包括： 步骤4021、 根据10组荷载沉降数据得到10条荷载沉降曲线； 步骤4022、 添加直线函数y=a， a为 最优设计参数对应的荷载沉降曲线中的最小沉降值； 步骤4023、 将直线函数y=a与其他9条荷载沉降曲线的交点横坐标作 为其他相应挤扩支权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115203784 A 2盘模型桩的极限承载力； 步骤4024、 根据9个挤扩支盘模型桩的极限承载力和体积获得9个挤扩支盘模型桩单位 体积提供的单位承载力， 并将所有的单位承载力记录 到正交试验表中； 步骤4025、 根据正交试验表获得在经济效能为评价指标 下的优化设计参数二。 6.根据权利要求5所述的一种基于正交试验和有限元分析的挤扩支盘桩优化设计方 法， 其特征在于， 所述 步骤4025包括： 对所有的单位承载力进行 方差分析， 得到每 个水平对应的均值与极差； 基于每个水平对应的均值与极差得到每种优化因素下竖向沉降量最小值对应的最佳 水平参数值， 获得在经济效能为评价指标 下的挤扩支盘模型桩 优化设计参数二。 7.根据权利要求1所述的一种基于正交试验和有限元分析的挤扩支盘桩优化设计方 法， 其特征在于， 所述 步骤 （5） 包括： 当优化参数一和优化参数二一致 时， 将所述优化参数一或优化参数二作为最优设计参 数， 根据最优设计参数设计挤扩支盘模型桩。 8.根据权利要求7所述的一种基于正交试验和有限元分析的挤扩支盘桩优化设计方 法， 其特征在于， 所述 步骤 （5） 还 包括： 当优化参数一和优化参数二不一致 时， 根据工程实际需要判断竖向承载力和经济效能 的权重； 在确定竖向承载力的权重大于等于经济效能的权重时， 将优化参数一作为最优设计参 数； 或者， 在确定竖向承载力的权重小于经济效能的权重时， 将优化参数二作为最优设计参 数； 根据最优设计参数设计挤扩支盘模型桩。 9.根据权利要求1所述的一种基于正交试验和有限元分析的挤扩支盘桩优化设计方 法， 其特征在于， 所述方法还 包括： 对按照最优设计参数设计的挤扩支盘模型桩进行轴力分析， 为工程实际安装挤扩支盘 模型桩时提供指导。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115203784 A 3