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
随着计算机技术的不断发展,计算机处理非线性问题的能力有了极大的提高,以有限元法为主的数值分析方法逐渐成为桩土相互作用分析的最有效方法。
汪克让等采用Biot固结理论,使用8结点等参元、无界元、接触面单元对桩土体系进行离散,通过分析土体固结过程中地面的沉降特性,研究桩间土承受荷载的可能性。张崇文等提出一种解决三维空间桩与土相互作用的有限层-有限元混合模型,将半无限空间问题转化为准二维平面问题进行求解。王玉杰等应用有限棱柱单元、无限棱柱单元离散桩土体系,在计算中用理想弹塑性弹簧模拟桩土之间的相互作用,对在集中荷载作用下由4根长桩组成的群桩与土相互作用体系进行了三维弹塑性分析。黄昌礼等通过在土和桩之间设置接触面单元,对某工程的2个剖面进行桩土相互作用平面非线性有限元分析,以详细了解桩及土的变形场及应力场分布。娄亦红等使用有厚度的接触面单元与有限元、无界元相耦合进行数值分析,求解桩土相互作用体系的应力和变形,计算结果与现场观测数据能较好地吻合。
1.2试验方法
1.2.1室内模型试验
限于人力、物力、财力、时间或其他因素无法进行现场原型试验时,模型试验成为研究问题的一种有效方法。室内模型试验主要有常规模型试验和离心模型试验。
（1）常规模型试验。王幼青等在实验室进行了不同桩距和桩数的模型桩基础载荷试验,通过试验认识到桩距和桩数对土体相互作用的影响规律。黄海峰等通过改进的三轴试验,研究了碎石桩复合地基横向桩土的相互作用,提出碎石桩复合地基的桩土相互作用可用桩土相互作用系数kps表征。杨进等按10∶1的比例,进行了黏性土质条件下的群桩施工模拟试验。通过试验,研究了群桩条件下的桩土相互作用,得出群桩作用对土应力场的影响关系。
（2）离心模型试验。离心模型试验可在高重力场条件下全仿真模拟施加荷载及挖方、填方等施工过程,但试验费用较高,试验规模很大,周期较长。
1.2.2现场原型试验
在桩基工程中,最能说明问题的是群桩或单桩的原型试验。河海大学岩土工程科学研究所为研究PCC桩复合地基理论开展了包括单桩静载荷试验,复合地基静载荷试验,静力触探,小应变测试,表面沉降观测,分层沉降观测,地下水平位移观测,桩顶、桩间土压力观测在内的大量现场试验,论证了其加固软土地基的可行性和科学性,同时也为PCC桩桩土相互作用的研究提供了第一手资料。
2存在的问题
从Winkler模型提出到现在,人们对桩土之间的相互作用进行了大量有益的理论分析和
试验研究,取得了不少成果,但还存在不少问题。
2.1理论分析问题
2.1.1经典理论分析法
经典理论分析法发展较为完善,目前已经进入群桩分析研究阶段,可以用于桩筏基础分析,是目前数值方法无法处理大范围问题时的必要替代。但必须注意到使用经典理论分析法分析桩土相互作用时,不能很好地描述对桩相互作用影响很大的桩土接触面的力学特性。
2.1.2数值分析方法
数值分析法存在的问题主要有接触面的处理、材料的本构、计算参数的选用、计算机容量的限制等。
（1）接触面问题。为了更好地反映桩与土间的相互作用,真实模拟桩与土体接触面上的力学行为,需要在桩土之间设置接触面单元。目前常用的接触面单元主要分为3类:以Goodman为代表的无厚单元，以Desai为代表的薄单元，以Katona为代表的接触摩擦元。虽然接触面单元较多,但有的单元并不能完全反映桩土间的相互作用力学机理,因此需要针对所要研究的桩型选用恰当的单元形式来描述桩土间的接触特性,必要时通过专门试验,确定接触面单元的本构。
（2）材料本构问题。由于土的突出非线性,到目前为止,还没有哪个本构模型可以体现土的各种特性。不同土的本构,往往针对某个问题才具有合理性,因此要根据所研究的问题灵活选用土体本构。较土而言,混凝土材料的本构要简单的多。混凝土的本构,在低应力情况下,通常采用线弹性模型;在进行桩的极限状态分析时可选用损伤本构模型。
（3）计算参数的选用问题。现场土体的性质很不均匀,且各向异性,选取计算参数比较困难。实际计算时,往往对某一段范围内土体进行简化。另外,用仪器很难测定地基的侧压力系数,其一般按经验公式取值,带有随意性。计算参数取值不同,计算结果也不同,这将影响数值分析的可信度。
（4）计算容量有限。无论是有限元法还是其他的数值计算方法,计算模型大多比较简单,这是因为目前的计算机内存容量还不足以处理大规模的非线性三维模拟问题,严重制约着复合地基的三维分析。鉴于以上难题,目前的理论分析只有在评价影响桩的工作性状参数时才有意义。
2.2试验问题
由于不能模拟自重应力条件,桩的小比例尺模型试验无法准确地观测到桩基深处土层在实际应力条件下的性状及其与桩的相互作用。室内试验存在着尺寸效应。而桩的现场静载荷
试验,因影响因素过多,必须经过大量的试验积累,才能找出规律。
3今后发展的方向
3.1接触面本构的完善
桩土作为整体进行数值建模时,关键是桩土接触面的处理问题。虽然接触面单元较多,但有的单元并不能正确反映桩土间的相互作用力学机理,因此需要针对所研究的桩型选用恰当的单元形式来描述桩土间的接触特性,寻找一个恰当的接触面本构。
3.2计算方法的改进
计算方法的改进方式主要有:(a)有限元法自身完善,如广义位移法在土-结构相互作用问题分析中的应用。(b)有限元法与其他方法相结合,如有限元与无界元耦合,有限元与有限层耦合,以及有限元法同经典理论分析方法相结合等。(c)新方法不断涌现,如目前备受岩土工程界注意的神经网络,十分适合处理类似于桩土相互作用这种非线性十分突出的力学问题。虽然还没有神经网络用于桩土相互作用研究的报道,但可以相信其前景十分广阔。
3.3数值分析方法与室内外试验相结合
模型试验和数值分析相结合,进行优势互补,是桩土相互作用分析领域的发展方向之一,其最终目的是提出和验证更为简单有效的计算方法。例如,将离心试验与数值分析相结合,参照离心模型试验的加载过程,采用数值方法模拟模型的应力和变形,将结果与离心试验结果进行比较,以验证数值分析方法的合理性,再采用数值分析方法计算原型的应力和变形。
4结语
接触面问题是桩土相互作用分析中最为突出的问题,针对桩型采用恰当的接触面单元,是保证桩土相互作用数值分析正确性的首要任务。限于当前的计算机技术水平,桩土相互作用的研究需要探索更好的计算方法,模型试验为其提供了便利。模型试验与数值分析方法相结合是今后桩土相互作用研究的一大发展方向。
用M I D A S模拟桩土相 互作用 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
用MIDAS模拟桩-土相互作用（“m法”确定土弹簧刚度） 北京迈达斯技术有限公司 2009年05月 2
1、引言 土与结构相互作用的研究已有近60～70年的历史，待别是近30年来，计算机技术的发展为其提供了有力的分析手段。桩基础是土建工程中广泛采用的基础形式之一，许多建于软土地基上的大型桥梁结构往往都采用桩基础，桩-土动力相互作用又是土-结构相互作用问题中较复杂的课题之一。至今已有不少关于桩基动力特性的研究报告，国内外研究人员也提出了许多不同的桩-土动力相互作用计算方法。从研究成果的归类来看，理论上主要有离散理论和连续理论及两者的结合，解决的方法一般有集中质量法、有限元法、边界元法和波动场法。 60～70年代，美国学者J.penzien等在解决泥沼地上大桥动力分析时提出了集中质量法，目前已在国内外得到了广泛的应用。集中质量法将桥梁上部结构多质点体系和桩一土体系的质量联合作为一个整体，来建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解。该模型假定桩侧土是Winkler连续介质。以半空间的Mindlin静力基本解为基础，将桩-土体系的质量按一定的厚度简化并集中为一系列质点，离散成一理想化的参数系统。并用弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质，形成一个包括地下部分的多质点体系。 土弹簧刚度的确定，除考虑使用较为精确的有限元或边界元方法外，较为简便的方法是采用Penzien模型中提供的土弹簧计算方法或参照现行规范中土弹簧的计算方法。我国公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)用的“m 法”计算方法和参数选取方面比Penzien的方法要简单和方便，且为国内广大 3
岩土桩土相互作用土弹簧刚度计算方法
一、引言 对于城市高架桥梁、 大跨桥梁等桩承重要工程结构， 除保证其上部结构的抗震安全性外， 在遭受大地震作用时避免其基础受损也十分重要。 近几年国外发生的大地震 （如日本神户地 震等）的震害表明，坐落在软弱土层上的桥梁桩基的震害十分突出，桩土相互作用这一课题 又引起了人们的重视。 对于基础坐落在软弱土层上的桥梁结构来说， 在地震发生时， 桥梁上部结构的惯性力将 通过基础反馈给地基， 使地基产生局部变形。 同时， 地基自身也会因地震力作用而发生变形， 反过来影响上部结构的反应。 这即所谓地基一结构系统的相互作用。 考虑地基一结构系统的 相互作用的影响， 不仅可以更准确地掌握桥梁上部结构的地震反应， 对于正确计算土中基础 的内力和变形也十分必要。 土与结构相互作用的研究已有近 60～70 年的历史， 待别是近 30 年来， 计算机技术的发 展为其提供了有力的分析手段。 桩基础是土建工程中广泛采用的基础形式之一， 许多建于软 土地基上的大型桥梁结构往往都采用桩基础， 桩一土动力相互作用又是土一结构相互作用问 题中较复杂的课题之一。 至今已有不少关于桩基动力特性的研究报告， 国内外研究人员[1-8] 也提出了许多不同的桩一土动力相互作用计算方法。 从研究成果的归类来看， 理论上主要有 离散理论和连续理论及两者的结合，解决的方法一般有集中质量法、有限元法、边界元法和 波动场法。 60～70 年代，美国学者 J.penzien[9]等在解决泥沼地上大桥动力分析时提出了集中质量 法， 目前已在国内外得到了广泛的应用。 集中质量法将桥梁上部结构多质点体系和桩一土体 系的质量联合作为一个整体， 来建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解。 该模型假定 桩侧土是 Winkler 连续介质。以半空间的 Mindlin 静力基本解为基础，将桩一土体系的质量 按一定的厚度简化并集中为一系列质点， 离散成一理想化的参数系统。 并用弹簧和阻尼器模 拟土介质的动力性质，形成一个包括地下部分的多质点体系。 PenZien 方法的优点是可以方便地考虑成层土的非均匀性，非线性和阻尼特性等因素。 其计算力学图式中，上下部结构均采用多质点有限元体系，便于直观理解。同时计算比较简 便，经过适当的参数调整，该模型可以较好地反映桩的动力性能，因而在桩基桥梁抗震计算 的实际工程中应用极广。 桥梁桩基础的抗震设计目前还主要采用静力的方法， 土对桩基的作用通过一组等效的弹 簧来表示。最近，日本等多地震国家的规范已开始建设使用 pushOver 的方法。该方法虽为 一种非线性的静力分析方法， 但可以等效地反应结构与土相互作用的主要动力特性， 而且计 算简单，便于应用于工程设计。包括桩基在内的桥梁系统的 PushOver 计算除考虑上部结构 惯性力的作用外， 还要考虑地基土的水平变形对桩基的作用。 已往往后者对桩基的抗震性能 评价起决定性的作用。 在建立计算图式时， 合理地确定土弹簧的水平刚度和土的侧向变形是 PushOver 方法的关键。土弹簧刚度的确定，除考虑使用较为精确的有限元或边界元方法外， 较为简便的方法是采用 Penzien 模型中提供的土弹簧计算方法或参照现行规范中土弹簧的计
桩土相互作用下单桩特性分析 [摘要]：随着我们经济技术的发展，各种复杂建筑的不断涌现，桩土之间相互作用和协调工作问题的研究成为土木工程中非常重要的课题之一。桩基础作为一种常用的基础形式，以其承载力高、沉降量小而均匀、稳定性好、易于机械化作业等特点，在高层建筑及路桥工程及其它领域得到不断发展。国内外的学者在如何考虑桩基础与地基之间的共同作用方法的研究都进行了深入的讨论，并在实际工程得到了运用。桩土共同作用是一个非常复杂的系统，有必要进一步的研究桩土相互作用下单桩特性分析。本文借助大型通用有限元软件分析了桩和土体共同作用下的单桩的受力特性，揭示了桩土相互作用下单桩特性分析，为优化实际工程结构设计方案安全和经济性进行有效的预测和指导作用。 1 桩土本构模型的选取 本构模型选取是否合适对结构分析非常重要，本文土体选用弹塑性地基模型。桩土受荷时，当土体进入塑性阶段时，桩仍处于弹性变形阶段，桩与土体正比，其变形较小。因此，桩基选用线弹性模型。 1.1 弹塑性地基模型 本算例在采用有限元软件进行分析时，采用SOLID45单元来模拟，SOLID45单元用于建立三维实体结构模型，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个分别沿着X、Y、Z方向平移的自由度[1]。由于土体和混凝土两种材料的性质相差较大，在一定的受力条件下有可能在其接触面上产生错动滑移或开裂。因此，在土体和混凝土的交界
面考虑接触效应。有限元程序提供了多种接触形式，并且能将纯拉格朗日乘子法和罚函数法结合起来。其中法向刚度因子取1.0，以避免取值过小导致造成总刚度病态，不便于收敛。本文采用刚体-柔体的面-面接触单元来模拟[2]。其中，土体当作“接触”面，利用TARGE173来模拟，作为柔性面。桩体当作“目标”面，利用TARGE170来模拟，作为刚性面。 3 计算结果分析 3.1 桩身的荷载与沉降关系 研究桩基在不同荷载作用下的荷载-沉降曲线是探究桩基受力机理的主要途径。单桩的P-S曲线如图3.1所示，可以看出，随着荷载的逐步加大，桩顶的沉降逐渐增加，由线性特征逐步表现出非线性的特性。在桩顶施加相同等级的荷载的情况下，桩的沉降量增加幅度却在加大，曲线的斜率不断增大，表现出明显的非线性，也说明了土体为D-P材料，在荷载作用过程中，不仅发生弹性变形，同时也产生的塑性变形。 图3-2 单桩P-S曲线与桩长的关系 由图3-14可知，不同桩长的P-S曲线都有明显的拐点，且在拐点之后都发生了塑性流动。与此同时，相同荷载作用下，桩顶沉降随桩长的增大而逐渐减小，在相同桩顶沉降处，单桩承载力随桩长的增大而逐渐增加。 3.2 土体压缩模量的影响 为了探讨桩间土的压缩模量对桩土共同作用的沉降影响，分别取
a n s y s 桩土相互 作用 例子 /prep7 et,1,pla ne42 et,2,solid45 mp,ex,1,2.5e10 mp, nu xy,1,0.2 mp,de ns,1,2500 mp,ex,2,2.5e8 mp, nu xy,2,0.4 mp,de ns,2,2000 tb,dp,2 tbdata,1,19,32,30 桩的弹性模量桩的泊松比 桩的密度 土的弹性模量土的泊松比 土的密度 粘聚力c为19摩擦角为32度，膨胀角为30 RECTNG,0,1,0,8, RECTNG,1,5,0,6, 面1 面2 RECTNG,0,5,0,-16,面3 /pnu m,area,1 /pnu m,li ne,1 asel,s,,,2,3,1 aglue,all nu mcmp,all allsel aplot lsel,s,,,1,3,2 划分面1 lesize,all,,,2 lsel,s,,,2,4,2 lesize,all,,,16 amesh,1
lsel,s,,,6,8,2 划分面2 lesize,all,0.5 lsel,s,,,5 lesize,all,0.5 lsel,s,,,7 lesize,all,0.5 amesh,2 lsel,s,,,11 划分面3 lesize,all,0.5 lsel,s,,,12 lesize,all,0.5 lsel,s,,,10 lesize,all,0.5
lsel,s,,,9 lesize,all,0.5 amesh,3 EXTOPT,ESIZE,2,0, EXTOPT,ACLEAR,1 type,2 mat,1 VEXT,1,,,,,-1 ! 拉伸成体1 EXTOPT,ESIZE,2,0, ! 拉伸成体2，3 EXTOPT,ACLEAR,1 mat,2 VEXT,2,3,1,,,-1 allsel /view,1,1,1,1 eplot k,1001,5,6,-5 k,1002,5,0,-5 k,1003,5,-16,-5 l,18,1001 l,1001,1002 l,1002,17 l,1002,1003 l,1003,21 al,22,36,37,38 al,30,38,39,40 面! 4 和面5 EXTOPT,ESIZE,10,0, EXTOPT,ACLEAR,1 VEXT,19,20,1,-5 !拉伸成体4 和5 vplot vsel,s,,,4,5,1 vplot lsel,s,,,36,52,1 lesize,all,0.5 type,2 mat,2 vmesh,all allsel !划分体4和 5 vsel,s,,,2,5,1 VPLOT !合并体2，3，4，5 上的重复单元及节点
用MIDAS模拟桩-土相互作用（“m法”确定土弹簧刚度） 迈达斯技术 2009年05月
1、引言 土与结构相互作用的研究已有近60～70年的历史，待别是近30年来，计算机技术的发展为其提供了有力的分析手段。桩基础是土建工程中广泛采用的基础形式之一，许多建于软土地基上的大型桥梁结构往往都采用桩基础，桩-土动力相互作用又是土-结构相互作用问题中较复杂的课题之一。至今已有不少关于桩基动力特性的研究报告，国外研究人员也提出了许多不同的桩-土动力相互作用计算方法。从研究成果的归类来看，理论上主要有离散理论和连续理论及两者的结合，解决的方法一般有集中质量法、有限元法、边界元法和波动场法。 60～70年代，美国学者J.penzien等在解决泥沼地上大桥动力分析时提出了集中质量法，目前已在国外得到了广泛的应用。集中质量法将桥梁上部结构多质点体系和桩一土体系的质量联合作为一个整体，来建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解。该模型假定桩侧土是Winkler连续介质。以半空间的Mindlin静力基本解为基础，将桩-土体系的质量按一定的厚度简化并集中为一系列质点，离散成一理想化的参数系统。并用弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质，形成一个包括地下部分的多质点体系。 土弹簧刚度的确定，除考虑使用较为精确的有限元或边界元方法外，较为简便的方法是采用Penzien模型中提供的土弹簧计算方法或参照现行规中土弹簧的计算方法。我国公路桥涵地基与基础设计规(JTG D63-2007)用的“m法”计算方法和参数选取方面比Penzien的方法要简单和方便，且为国广大工程师所熟.“m法”的基本原理是将桩作为弹性地基梁，按Winkler假定（梁身任一点的土抗力和该点的位移成正比）求解。但是，由于桩-土相互作用的实验数据不足，土的物性取值有时亦缺乏合理性，在确定土弹簧的刚度时，仍有不少问题未能很好解决。特别是，“m法”中m的取值对弹簧刚度的计算结果影响很大，且不能反映地震波的频率特性和强度带来的影响。 本次介绍的土弹簧的模拟是采用规中的“m法”确定土的地基系数C（m的取值根据土的物性而定）,再由其算出土弹簧的水平刚度。
1 用MIDAS模拟桩-土相互作用（“m法”确定土弹簧刚度） 北京迈达斯技术有限公司 2009年05月
1、引言 土与结构相互作用的研究已有近60～70年的历史，待别是近30年来，计算机技术的发展为其提供了有力的分析手段。桩基础是土建工程中广泛采用的基础形式之一，许多建于软土地基上的大型桥梁结构往往都采用桩基础，桩-土动力相互作用又是土-结构相互作用问题中较复杂的课题之一。至今已有不少关于桩基动力特性的研究报告，国内外研究人员也提出了许多不同的桩-土动力相互作用计算方法。从研究成果的归类来看，理论上主要有离散理论和连续理论及两者的结合，解决的方法一般有集中质量法、有限元法、边界元法和波动场法。 60～70年代，美国学者J.penzien等在解决泥沼地上大桥动力分析时提出了集中质量法，目前已在国内外得到了广泛的应用。集中质量法将桥梁上部结构多质点体系和桩一土体系的质量联合作为一个整体，来建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解。该模型假定桩侧土是Winkler连续介质。以半空间的Mindlin静力基本解为基础，将桩-土体系的质量按一定的厚度简化并集中为一系列质点，离散成一理想化的参数系统。并用弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质，形成一个包括地下部分的多质点体系。 2 土弹簧刚度的确定，除考虑使用较为精确的有限元或边界元方法外，较为简便的方法是采用Penzien模型中提供的土弹簧计算方法或参照现行规范中土弹簧的计算方法。我国公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)用的“m法”计算方法和参数选取方面比Penzien 的方法要简单和方便，且为国内广大工程师所熟.“m法”的基本原理是将桩作为弹性地基梁，按Winkler假定（梁身任一点的土抗力和该点的位移成正比）求解。但是，由于桩-土相互作用的实验数据不足，土的物性取值有时亦缺乏合理性，在确定土弹簧的刚度时，仍有不少问题未能很好解决。特别是，“m法”中m的取值对弹簧刚度的计算结果影响很大，且不能反映地震波的频率特性和强度带来的影响。 本次介绍的土弹簧的模拟是采用规范中的“m法”确定土的地基系数C（m的取值根据土的物性而定）,再由其算出土弹簧的水平刚度。
云浮至阳江高速公路罗定至阳春段 （S02合同段） 独桩独柱桥墩桩基桩土作用弹塑性仿真分析 计算书 设计部主任: 计算: 日期: 复核: 日期: 项目负责人: 日期: 审核: 日期: 广东省公路勘察规划设计院有限公司 2010年10月
目录 1.1模型及边界条件 (3) 1.1.1 分析目标 (3) 1.1.2 采用软件 (3) 1.1.3 模型 (4) 1.1.4 材料性质 (4) 1.1.5 荷载 (4) 1.1.6 单元选择 (4) 1.1.7 边界条件 (5) 1.2分析结果 (5) 1.2.1 嵌岩深度2倍桩直径分析结果 (5) 1.2.2 嵌岩深度3倍桩直径分析结果 (8) 1.2.3 裸岩嵌岩深度3倍桩直径分析结果 (11) 1.2.4 嵌岩深度4倍桩直径分析结果 (14) 1.2.5 仅竖直力作用桩基分析结果 (17) 1.3结论 (18)
1.1模型及边界条件 1.1.1分析目标 本项目设计有大量独桩独柱墩，桩基承受轴向力同时承受巨大的弯矩；然而，灰岩地区岩石埋深浅或岩石裸露，如何确定桩基础经济合理及安全可靠的的嵌岩深度，保证桩土应力长期稳定及桩顶位移满足上部结构的使用要求并具有一定的超载能力，规范及相关文献未见其解。 分析的目标：考虑轴向和侧向加载下，研究不同嵌岩深度桩基附近岩土的塑性发展状态、桩周土及桩底土的应力状态、桩顶的位移，以确定桩基础经济及合理的嵌岩深度。 1.1.2采用软件 采用FLAC 3D岩土力学有限元软件进行空间弹塑性仿真分析。 FLAC 3D美国Itasca咨询公司开发，作为世界范围内应用最广泛的通用岩土工程数值模拟软件，在全球138个国家应用于设计计算及科学研究，在国际岩土工程学术界及工业界得到广泛赞誉。FLAC3D中的本构模型及其应用：
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
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）
et,1,plane42 et,2,solid45 mp,ex,1,2.5e10 !桩的弹性模量 mp,nuxy,1,0.2 !桩的泊松比 mp,dens,1,2500 !桩的密度 mp,ex,2,2.5e8 !土的弹性模量 mp,nuxy,2,0.4 !土的泊松比 mp,dens,2,2000 !土的密度 tb,dp,2 tbdata,1,19,32,30 !粘聚力c为19,摩擦角为32度,膨胀角为30 RECTNG,0,1,0,8, !面1 RECTNG,1,5,0,6, !面2 RECTNG,0,5,0,-16, !面3 /pnum,area,1 /pnum,line,1 asel,s,,,2,3,1 aglue,all numcmp,all allsel aplot lsel,s,,,1,3,2 !划分面1 lesize,all,,,2 lsel,s,,,2,4,2 lesize,all,,,16 amesh,1 lsel,s,,,6,8,2 !划分面2 lesize,all,0.5 lsel,s,,,5 lesize,all,0.5 lsel,s,,,7 lesize,all,0.5 amesh,2 lsel,s,,,11 !划分面3 lesize,all,0.5
lesize,all,0.5 lsel,s,,,10 lesize,all,0.5 lsel,s,,,9 lesize,all,0.5 amesh,3 EXTOPT,ESIZE,2,0, !拉伸成体1 EXTOPT,ACLEAR,1 type,2 mat,1 VEXT,1,,,,,-1 EXTOPT,ESIZE,2,0, !拉伸成体2，3 EXTOPT,ACLEAR,1 mat,2 VEXT,2,3,1,,,-1 allsel /view,1,1,1,1 eplot k,1001,5,6,-5 k,1002,5,0,-5 k,1003,5,-16,-5 l,18,1001 l,1001,1002 l,1002,17 l,1002,1003 l,1003,21 al,22,36,37,38 !面4和面5 al,30,38,39,40 EXTOPT,ESIZE,10,0, EXTOPT,ACLEAR,1 VEXT,19,20,1,-5 !拉伸成体4和5 vplot vsel,s,,,4,5,1 vplot
不同土体条件下桩－土相互作用位移分析 王 代＊１，２，王勇智１ （１．中州大学，河南郑州４５００００；２．郑州大学新型建材与结构研究中心，河南郑州４５０００２） 摘 要：为了更好地理解土体中桩的变形及破坏，采用有限元法模拟分析堆载下的土体位移以及桩体变形；探讨分析了不同土体条件如重度、泊松比、弹性模量、粘聚力等，对被动桩及桩侧土体变形的影响。结果表明：改变土体模量和粘聚力对桩和土的影响是相对较大的，且土体的粘聚力对桩土的影响起决定作用。因此，可以通过改善土的强度参数来提高被动桩桩－土体系的工作性状。 关键词：被动桩；桩－土相互作用；有限元法；粘聚力；位移分析 中图分类号：ＴＵ４７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－５７１６（２０１３）０１－０００５－０５ 目前被动桩是道路、河流堤坝等工程中最常用的桩，工程中常常堆载甚至超载导致地基软弱土体产生侧向变形从而挤压桩基，使得桩发生挠曲变形甚至断裂，引起地基固结沉降，桩基下沉，造成不均匀沉降，显然对上部结构不利。 通常被动桩的变形和破坏与不稳定土体的变形有关，因此本文利用土体的变形分析、桩的变形甚至破坏及荷载效应，来分析桩－土相互作用问题。 本文将采用有限元法模拟分析堆载下的土体位移以及桩体变形，并讨论基础土层条件等不同状况下对土体和桩基侧向变形的影响。 １ 实例模型的建立 假定土为弹塑性变形体，土的强度直接影响桩－土相互作用的力学特性。计算模型、土层边界及荷载如图１所示，土层０～１５ｍ为泥炭质土（软土层），１６～２０ｍ为较硬细砂层。模型边界横向取４０ｍ，深度方向取２０ｍ。横向边界约束条件：左边界横向约束，右边界固定铰支约束；深度方向边界条件：上边界为竖向约束，下边界是固支约束。桩基为圆桩；计算单元数８００个。在没有底部加筋等加固处理的情况下，堆载为柔性堆载，对地基施加的荷载约束等于荷载自重。根据圣维南原理，堆载刚度、坡度对土体侧向变形的影响主要集中在浅部土层上，因此在计算分析中将堆载简化为土体表面荷载。主要考查荷载作用下桩侧土体的位移。假定桩与土变形协调，在计算模型中采用无厚度的Ｇｏｏｄｍａｎ界面单元。 图１ 计算模型示意图５ ２０１３年第１期 西部探矿工程 ＊收稿日期：２０１２－０５－０８ 修回日期：２０１２－０５－１３ 第一作者简介：王代（１９７９－），女（汉族），河南周口人，讲师，郑州大学在读博士研究生，研究方向：土木工程结构研究。