砂土
桥台
粘土风化岩软岩
硬岩
桩
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?号输入‘1’,名称输入
‘粘土’。
?模型类型选择莫尔-库仑。
?材料参数里通过点击Tab键逐
个输入。?点击确认。
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属性中点击适用。
?号输入‘1’,名称输入‘粘土’。?模型类型选择莫尔-库仑。?材料参数里通过点击Tab键逐个输入。?点击确认。?输入材料后在添加/修改实体属性中点击适用。?剩余的四个土层和桥台也按同样的方
法输入属性。
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?剩余的四个土层和桥台也按同样的方法输入属性。?生成桥台时模型类型选择为弹性。
?号处输入`1’,名称处输入`桩’。?号处输入`1’,名称处输入`桩’。?选择圆形D处输入
1.5m。
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?选择圆形D处输入1.5m。?偏移处输入中-中。?主菜单里选择模型> 特性> 属性…?添加处选择直线。
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?主菜单里选择模型> 特性> 属性…?添加处选择直线。?号处输入‘7’, 名称处输入‘混凝土’。?单元类型选择梁。?输入混凝土的特性。
?号处输入’2’, 名称处输入`桩接触’。
?极限剪力处输入0.000101971621。?剪切刚度系数处输入0.000101971621。?号处输入’2’, 名称处输入`桩接触’。?极限剪力处输入0.000101971621。?剪切刚度系数处输入0.000101971621。
（我觉得这句话是指边界面上的面外刚度是相对位移-摩擦力关系曲线（我觉得这句话是指边界面上的面外刚度是相对位移-摩擦力关系曲线
?添加/修改特性窗口中勾选函数。?选择…后输入函数。
?添加/修改特性窗口中勾选函数。?选择…后输入函数。?名称处输入`ShearCurve’。
?Z项输入-1000, 数值项输入-1000000。?利用同样的方法输入2~4行生成图表。
?名称处输入`ShearCurve’。?Z项输入-1000, 数值项输入-1000000。?利用同样的方法输入2~4行生成图表。?操作例题里生成的相对位移-摩擦力函数是为了验证桩
?生成属性后点击关闭。
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※此操作例题提供建立好的几何模型
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网格组输入‘桥台’。
?主菜单里选择网格> 自动网格划分> 线…。?播种方法里选择分割数量。?如图所示选择15个桩线。?确认属性指定为7号。?主菜单里选择网格> 自动网格划分> 线…。?播种方法里选择分割数量。?如图所示选择15个桩线。?确认属性指定为7号。?主菜单选择模型> 单元> 桩…。?如图所示选择30个一维单元。?确认属性指定为8号。?主菜单选择模型> 单元> 桩…。?如图所示选择30个一维单元。?确认属性指定为8号。
?主菜单里选择模型> 边界> 地面支撑…。?边界组输入‘地基边界条件’。?选择地基的5个网格组。?主菜单里选择模型> 边界> 地面支撑…。?边界组输入‘地基边界条件’。?选择地基的5个网格组。?主菜单里选择模型> 边界> 支撑…。?边界组里输入‘桩边界条件’。?选择桩的节点。?选择RZ。(旋转自由度)?主菜单里选择模型> 边界> 支撑…。?边界组里输入‘桩边界条件’。?选择桩的节点。?选择RZ。(旋转自由度)
分析> 分析工况…
?主菜单里选择分析> 分析工况…。
桩土相互作用研究综述 1 桩土相互作用的研究现状 桩土相互作用问题属于固体力学中不同介质的接触问题,表现为材料非线性(混凝土、土为非线性材料)、接触非线性(桩土接触面在复杂受荷条件下有黏结、滑移、张开、闭合4形态)等,是典型的非线性问题。 为了能够全面地评价桩土的相互作用问题,通常需要确定桩、土体各自的应力和应变以及接触区域处位移和应力分布的数据,对影响桩土相互作用的各因素进行全面研究。研究桩土相互作用问题需要考虑的因素有:(a)土的变形特征;(b)桩的变形特征;(c)桩的埋置深度;(d)时间效应(土的固结和蠕变);(e)外部荷载的形式(静载或动载);(f)施工顺序(即开挖、排水以及基础和上部结构施工各个阶段的影响)。 目前桩土相互作用的研究方法主要有理论分析法和试验方法。 1.1理论分析方法 理论分析方法分为经典理论分析方法和数值分析方法。 1.1.1经典理论分析法 (1)弹性理论法。以Poulos方法为代表。假定桩和土为弹性材料,土的杨氏模量ES或为常数或随深度按某一规律变化。由轴向荷载下桩身的压缩求得桩的位移,由荷载作用于半无限空间内某一点所产生的Mindlin位移解求得桩周土体的位移。假定桩土界面不发生滑移,即可求得桩身摩阻力和桩端力的分布,进而求得桩的位移分布。如果假定Mindlin位移解在群桩的情况下仍旧适用,则弹性理论法可以被推广至群桩的相互作用分析中。 (2)剪切位移法。以Cooke等为代表。根据线性问题的叠加原理,可将剪切位移法推广到群桩的桩土相互作用分析中。Nogami等基于上述思想再把每根桩分成若干段并考虑地基土分层特性,得到比Mindlin公式积分大为简化的数值计算方程组。剪切位移法的优点是在竖向引入一个变化矩阵,可方便考虑层状地基的性况,均质土不需对桩身模型进行离散,分析群桩时不依赖于许多共同作用系数,便于计算。 (3)荷载传递法。荷载传递法本质为地基反力法。根据求取传递函数手段的不同,可将传递函数法分为Seed等提出的位移协调法和佐腾悟等提出的解析法。荷载传递法可较好地模拟单桩性状。由于没有考虑土体的连续性,荷载传递法一般不能直接用于群桩,除非经分层积分位移迭代或与有限元耦合。 1.1.2数值分析方法
静力触探机理和桩的作用机理类似，静力触探试验相当于沉桩的模拟试验。因此，它很早就被应用于桩基勘察中。据一些资料，用静力触探成果估算单桩承载力，效果比较好；与用桩载荷试验求单桩承载力的方法相比，具有明显的优点。 1确定桩端持力层层位、厚度、埋深 从静力触探曲线上可容易地找出锥尖阻力较高的层位，将其确定为桩端持力层，再结合桩将承受的实际荷载的大小，可确定桩长、桩型、桩截面尺寸及桩的数量等，对设计人员会有很大帮助。 2 确定单桩竖向承载力标准值 静力触探试验可以看作是一个小直径桩的现场载荷试验。根据有关资料的对比结果表明，用静力触探成果估算单桩极限承载力是行之有效的。通常是按单桥和双桥探头实测曲线进行估算。现将几种采用双桥探头估算经验式介绍如下： 1. 《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-94)中计算方法 《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-94)中当根据双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值时，对于粘性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下式计算： (公式9) 式中—锥尖阻力修正系数，对粘性土取2/3，对饱和砂土取1/2；—桩端平面上、下探头阻力，取桩尖平面以上4d(d为桩的直径或边长)范围内按厚度的加权平均值，然后再和桩尖平面以下1d范围内的值进行平均(kPa)；
—桩身横截面积(m2)； —桩身周长(m)； —桩穿越第层土的厚度(m)； —第层土的静探侧壁摩阻力(kPa)； —第层土桩侧阻力综合修正系数，按下式计算： 对粘性土： 对于砂土： 确定桩的承载力时，安全系数取2-2.5，以端承为主时取2，以摩阻力为主时取2.5。 2. 铁道部《铁路工程地质原位测试规程》(TB 10018-2003)中计算方法 1)打入混凝土桩承载力 打入钢筋混凝土预制桩的极限荷载可根据双桥探头静探参数按下列公式及要求计算： (公式10) 式中—桩身周长(m)； —桩身穿过第层土厚度； —桩底(不包括桩靴)全断面面积(m2)； —第层土的触探侧阻平均值(kPa)； —桩底触探端阻计算值(kPa)； 、—分别为第层土的极限摩阻力和桩尖土的极限承载力修正系数。
用ANSYS 软件分析桩土相互作用 陈建民，肖 花 （中国石油大学石油工程学院，山东 东营 257061） 摘要：用ANSYS 程序对导管架平台的桩与土之间的相互作用进行了研究。结果表明，在平台载荷作用下，桩上的最大应 力点出现在距海底一定深度的范围内，土中的最大应力也出现在离海底一定距离的土层中，而不是在海底处。桩周土层中应 力分布显著不对称，一侧的土层受力大，另一侧土层的受力小。随着深度的增加，桩身水平方向位移呈衰减波的形式变化。 衰减波的衰减速度很快，波峰的绝对值在第二个峰处就已减小到0.001m 。 关键词： 桩土相互作用，ANSYS ，有限元模型，应力分布，衰减波 1 引 言 桩基导管架平台是目前我国海上石油开发和生产的最常用型式。它由上部甲板、下部导管架和打入海 底的桩基组成。平台受到的所有载荷最终都由打入土中的桩承担，桩的承载能力是平台能否安全服役的关 键因素之一，研究桩土相互作用可以确定桩的承载能力。 关于桩土相互作用的研究始于上世纪三、四十年代，但近一、二十年来由于海洋石油勘探开发的迅猛 发展引起对桩基研究的普遍关注。主要的研究方法有模型试验、现场观测和理论分析。从现有的理论分析 来看，绝大多数都建立在土的线弹性明德林方程或文克尔地基之上，没有反映土的非线性本构关系[1]。 目前用有限元法研究桩土相互作用机理是较有效的方法，有限单元法能较好地模拟桩土的三维应力状 态，较真实地反应实际应力状态，其特点是能把各点的应力、应变和位移大小求出，便于进一步分析[2]。 本文采用大型有限元分析软件ANSYS 建立桩土本构模型，通过分析得出了桩土的应力分布情况以及桩 身水平方向位移随深度变化的规律。 2 桩土相互作用理论 2.1桩轴线的挠曲方程 一般可将桩视为弹性梁，根据梁挠曲变形理论，写出桩的挠曲微分方程： 44d y EI p dx = （1） 式中 E 为桩的弹性模量；I 为桩截面惯性矩；p 为沿桩长分布的土反力。 受侧向荷载桩挠曲微分方程的求解是以Winkler 的假定为基础的。按此假定，作用于桩上某一点的土 反力p 可写成如下形式： -S p E y = （2） 式中，S E 为土反力模量，负号表示p 的作用方向与桩的位移方向相反，将式（2）代入式（1）得 0x 44=+y E d y d EI S （3） 大量的实际资料表明，土反力模量S E 随着深度和桩的挠度变化而变化。即土反力p 和桩挠度y 之间不成线性关系。通常将S E 表示为： 0()n S E k x x =+ （4） 式中0x 为一待定常量。于是式（3）可写成： 404()0n d y EI k x x y dx ++= （5） 取参数变换： 0x x z T +=；dx dz T = （6）
目录 摘要...................................................................................................................... I ABSTRACT .......................................................................................................... II 第一章绪论. (1) 1.1 选题背景及其研究意义 (1) 1.2 国内外研究现状 (3) 1.2.1 国内的研究现状 (5) 1.2.2 国外的研究现状 (10) 1.3 主要研究内容与方法 (11) 第二章阶梯型桩复合地基荷载试验 (12) 2.1 室内模型试验制作 (12) 2.2 试验相关参数及土性指标 (18) 2.3 荷载试验方法 (18) 2.4 试验结果分析 (19) 2.4.1 荷载-沉降关系曲线 (19) 2.4.2 桩身轴力分布规律分析 (22) 2.4.3 桩土应力比规律分析 (26) 2.4.4 桩土荷载分担比规律分析 (27) 2.4.5 桩身侧摩阻力分布规律的分析 (29) 2.5 小结 (31) 第三章数值分析 (33) 3.1 引言 (33) 3.2 FLAC3D软件简介 (33) 3.2.1 FLAC3D的特点 (34) 3.2.2 FLAC3D的基本计算原理 (34) 3.3 建立模型 (36) 3.3.1 计算模型的建立 (36) 3.3.2 选取计算参数 (38) 3.4 数值计算结果分析 (40) 3.4.1 数值模型的合理性验证 (40) 3.4.2 应力场分析 (42)
①桩的水平承载力作用机理分析 <1>水平荷载作用下的单桩工作机理：桩所受的水平荷载部分由桩本身承担，大部分是通过桩传给桩侧土体，其工作性能 主要体现在桩与土的相互作用上，即当桩产生水平变位时，促使桩周土也产生相应的变形，产生的土抗力会阻止桩变 形的进一步发展。在桩受荷初期，由靠近地面的土提供土抗力，土的变形处在弹性阶段；随着荷载增大，桩变形量增 加，表层土出现塑性屈服，土抗力逐渐由深部土层提供；随着变形量的进一步加大，土体塑性区自上而下逐渐开展扩 大，最大弯矩断面下移，当桩本身的截面抗拒无法承担外部荷载产生的弯矩或桩侧土强度遭到破坏，使土失去稳定时， 桩土体系便处于破坏状态。 <2>按桩土相对刚度(桩的刚性特征与土的刚性特性之间的相对关系)的不同，桩土体系的破坏机理及工作状态分为二类: 1)刚性短桩，此类桩的桩径大，桩入土深度小，桩的抗弯刚度比地基土刚度大得多，在水平力作用下，桩身像刚体一 样绕桩上某点转动或平移而破坏；此类桩的水平承载力由桩周土的强度控制； 2)弹性长桩，此类桩的桩径小，桩入土深度大，桩的抗弯刚度与土刚度相比较具柔性，在水平力作用下，桩身发生挠 曲变形，桩下段嵌固于土中不能转动；此类桩的水平承载力由桩身材料的抗弯强度和桩周土的抗力控制。 3)对于钢筋混凝土弹性长桩，因其抗拉强度低于轴心抗压强度，在水平荷载作用下，桩身的挠曲变形将导致桩身截面 受拉侧面开裂，然后渐趋破坏；当设计采用这种桩作为水平承载桩时，除考虑上部结构对位移限值的要求外，还应 根据结构构件的裂缝控制等级，考虑桩身截面开裂的问题；但对抗弯性能好的钢筋混凝土预制桩和钢桩，因其可忍 受较大的挠曲变形而不至于截面受拉开裂，设计时主要考虑上部结构水平位移允许值的问题。 <1>桩的水平承载力大小取决于桩与土的相互作用，其力学模型可以认为是一端固接的悬臂梁，在自由端增加了反力，(此 处的近似模型包含：固接是针对桩在土体中受水平力时，位移很小可以近似认为固接，土体的反力不是集中力，而是 一个散布荷载，可以认为是一个似三角形荷载)。故而桩的水平承载力的影响因素有两个方面：桩和桩有关的因素、土 和土有关的方面； <2>桩的水平承载力是指桩体达到容许变形时所能承受的水平荷载。桩的质量受混凝土和钢筋强度的影响，两者对桩的质 量好坏所起的作用以混凝土强度影响最大，主要承受抗压、抗剪的作用(其抗拉作用力很小，一般忽略不计)；钢筋强 度的影响其次，主要承担抗剪、抗拉的作用力(其截面面积很小，强度很大，抗压一般不考虑)。 <3>对于刚度，抗弯刚度EI 是至关重要的，是弹性模量和惯性矩的共同作用，材料强度越高，截面积越大，其刚度也越 大，但由试验结果知刚度随着弹性模量增加时在某一值时不再变化(趋于平缓)，其随着截面积(直径)的变化无限增大， 因而，对混凝土强度的增大，对于提高桩的刚度并不是最好的办法，可见增增大大截截面面积积是是提提高高桩桩体体刚刚度度的的最最有有效效的的办办法法。 <4>稳定性，是指构件受力后随时间变化保持原有平衡的能力，变形越小，稳定性越好，其主要的表征量是挠曲变形量。 对于桩，当水平承载力作用于桩顶时，在桩顶产生弯矩和剪力，使桩体产生变形(挠曲变形、压缩变形、剪切变形)， 这也就要求桩的稳定性满足要求，同时桩体材料强度也要满足变形。 <5>对于单桩，如何能使其承受更高的承载力呢？方法一，就是增大截面积，减小其长细比，因为当长细比在不同阶段时， 其产生的挠曲变形不同。为了方便理解可以简化为不同的模型，如长细比很小的时候，如试块，构件的变形以压、剪 为主，挠曲变形忽略不计；长细比很大的时候，如压杆，以挠曲变形为主，压、剪忽略不计，这也就是说，增大强度 和刚度，可以有效的减小桩体的变形(对于块体材料是压、剪产生的压缩和剪切变形，对于杆体是弯矩产生的挠曲变形)。 因此，桩体是一个中间类构件，其受水平力后的变形特征以挠曲变形为主，压、剪变形为辅(可以说变形很小忽略)。 <6>在不考虑土时，研究提高桩体本身的抗变形能力，我们可以朝着试块方向看，也就是说，对于桩体的挠曲变形，可以 通过减小长细比，增大刚度，提高配筋率，以便减小桩体的挠曲变形，即刚度越大，达到容许的挠曲变形则需要更大 的水平荷载。桩的挠曲变形状态是(在不受桩侧土体时的作用时)是过固定端和自由端的一个连续曲线，以桩体为坐 标轴，其表现在位移上是，在自由端最大，固定端为零。 <7>考虑桩侧土体时，桩的挠曲变相受到土体的抵抗，挠曲变形减小，但其挠曲变形的曲线形态仍然不变。不同的是在受 土体的影响下，在一定深度下，桩体变形不足以挤压土体发生较大的反力，或者说与桩体承受的水平力可以忽略不计， 因此，在这个深度以下桩侧土体提供的反力对桩能否承担更大的荷载不起作用，而这个位置大概是位于桩顶以下10d 以内，并且在这桩顶下10d 的范围内的桩侧土中，限制桩体挠曲变形，提供桩体的水平反力的关键土体厚度约为 2(d+1)范围(桩基条文说明5.7.5)，而由于桩体的变形压缩侧面土体，使其受力侧约6d 范围内的土体产生变形(随 土体的不同而不同)，该范围内的土阻碍了桩体的挠曲变形，使其达到相同的容许挠曲变形时需要更大的水平荷载， 也就是说，越密实，变形越小的桩间土体，可以促使桩承受更大水平作用力。对于群桩基础，当桩间距在影响的范围 之内(约6d 范围)时，减小桩距，桩与桩的相互影响增大，土体扰动，导致土体抵抗作用发挥不足，对桩的抗力减 小，桩的水平承载力减小，基桩的承载力下降。若桩间距大于其主要的影响范围，增大桩距和减小桩距对桩的水平承 载力影响可以忽略，不能有效提高水平承载力。故而对于群桩来说，桩距为6d 时是水平承载力最大的位置。 <8>桩与承台的连接方式有固接和铰接，其分类有高承台桩和低承台桩。高承台桩的承台对桩的水平承载力没有影响，完 全取决于桩本身。建筑物的桩基大多属于低承台桩，需要考虑承台对桩的作用影响，包括承台连接的约束效应、承台 侧的侧阻效应、承台底的摩阻效应。 1)承台的约束效应：可以分为位移和弯矩。由材料力学和结构力学的结论，固接的时候位移为零，弯矩最大，自由端 的时候位移最大，弯矩为零，铰接的时候，没有弯矩，没有位移。但是，在桩与承台的连接中是介于固接和铰接之 间的一种有限连接方式，既存在弯矩也存在位移。因此，将连接方式由铰接变为固接，减小了位移，增大了弯矩； 固接变为铰接，增大了位移，减小了弯矩，对于极限承载力的状态的安全使用有影响。如果以变形作为衡量桩水平 承载力，将承台看做是桩端嵌入部分的侧阻体，减小位移都是提高在提高桩能承受的水平荷载。如果以强度作为控 制，那么就应该减小弯矩。但是，值得注意的是，对于提高桩承受水平荷载的能力，不管是强度控制还是位移控制， 前提都是在容许的变形范围之内，因此，其与桩使用安全极限的控制方式没有关系，只是和桩的侧阻体有关，当桩 形成的位移越小时，那就是桩的侧阻体越抗压，桩可以承担更大的水平荷载。 2)在承台下增加桩数，减小承台的位移变形，同时也降低了承台的侧阻和摩阻效应减小，降低土对承台承担的水平抗 力荷载，但增加桩数后是否会增加土体的强度和改善土体的抗力，需要综合考虑。对群桩中的单桩基础和其相应的 承台进行分析。桩的相互影响效应，随桩距减小、桩数增加而增大，沿荷载方向的影响远大于垂直于荷载作用方向。 桩顶约束的影响，桩顶增加约束可以减小桩顶水平位移，降低桩顶约束弯矩，重新分配弯矩。桩顶的非完全嵌固比 完全嵌固水平位移提高25%，弯矩降低约理论值的40%。 2)承台侧土的抗力，因为桩的水平位移很小，被认为是发生的线弹性变形，服从线弹性地基梁模型，不考虑桩受的被