桩土接触面薄层单元数值模拟
摘要：桩土接触面是桩土相互作用的关键。利用ABAQUS有限元分析软件，在桩土间增加一定厚度的薄层单元来模拟桩土界面处的剪切错动带。薄层单元力学参数介于桩土之间，单元近桩一侧与桩体的接触本构关系采用库仑摩擦定律，近土一侧与土体相应节点耦合。选择不同厚度与长度的薄层单元，对比分析薄层单元厚度与长度对桩侧摩阻力的影响。研究表明，桩侧摩阻力在不同桩顶荷载作用下，薄层单元厚度与宽度对其有不同程度的影响。
关键词：桩基；有限元；薄层单元
Abstract: The pile – soil interface is the key factor in the pile – soil interaction. In this paper, the pile – soil model was simulated based on numerical method using the finite element software of ABAQUS. The thin layer element of the pile –soil interface was used at the different thicknesses to simulate the mechanical features of the interface between the pile and soil. The elements close to the soil were coupled with the element nodes in the soil. The Coulomb’s law was utilized to reflect the constitutive law of the elements close to the pile In order to reflect the mechanicals and deformation of the interface, different thicknesses and lengths were choose for the thin layer elements to analyze and compare the influence of the thicknesses and lengths to the side resistances of the pile. The result showed that the influence of the thin layer elements to the side resistances of the pile were not the same under different pressure on the top of the pile.
Key words: pile; finite element; thin layer element
1引言
桩土接触问题具有一定复杂性和不确定性。由于接触是一种高度非线性行为(陈开旭等，2000) [4]，这给桩土之间力的传递的计算带来一定的困难。利用有限元软件ABAQUS，通过在桩土之间设置有厚度薄层单元来模拟剪切错动带，可以反映桩土接触面力学变化特点。
目前对接触面研究取得很多成果。Goodman等(1968)[3]提出了无厚度接触面单，能够较好地反映接触面切向应力和变形；Cloug和Duncan(1971)[1]提出了接触面处剪应力τ和相对错动位移ws之间的双曲线本构关系；Desai等(1984)[2]提出了薄层四边形单元，既可以反映接触面切向应力和变形，又可以模拟法向应力和变形，与实际接触情况更接近；殷宗泽等(1994)[6]通过对直剪试验研究，否定了Clough和Duncan(1971)[1]提出的接触面处剪应力τ－ws双曲线本构关系，认为土体与结构之间的变形是刚－塑性变形；张冬霁等(1998) [7]在单剪试验的基础上提出了剪切错动带单元，给出了确定薄层单元参数的方法。栾茂田等(2004) [5]提出了非线性–弹性理想塑性模型，并用之模拟接触面变形和破坏机理。
采用有厚度薄层单元模拟桩土接触面时，单元厚度与长度的选择具有一定的
第23卷第2期 V ol.23 No.2 工 程 力 学 2006年 2 月 Feb. 2006 ENGINEERING MECHANICS 72 ——————————————— 收稿日期：2004-04-01；修改日期：2004-05-21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50279015，50309008) 作者简介：*张 嘎(1976)，男，山东人，讲师，博士，主要从事岩土工程等方面的教学研究(E-mail:zhangga@https://www.doczj.com/doc/e32199215.html,)； 张建民(1960)，男，陕西人，教授，博士，主要从事岩土工程等方面的教学研究。 文章编号：1000-4750(2006)02-0072-06 土与结构接触面弹塑性损伤模型用于单桩与地基 相互作用分析 * 张 嘎，张建民 (清华大学 岩土工程研究所，北京 100084) 摘 要：基于粗粒土与结构接触面弹塑性损伤静动力统一模型(称作EPDI 模型)建立了可用于有限元分析的弹塑性损伤接触面单元。对接触面试验进行了模拟，采用不同的接触面本构模型及参数对单调和循环荷载作用下的单桩基础的侧摩阻力和桩顶位移进行了有限元分析。结果表明：包括剪应力应变关系和剪胀特性在内的接触面力学特性对桩土相互作用分析有重要影响，需要合理地加以描述。基于试验结果建立的弹塑性损伤接触面单元能够有效地用于土体与结构物相互作用分析，并能够合理地反映土与结构接触面的包括体应变及其与剪应变耦合特性在内的接触面主要静动力学特性。 关键词：岩土工程；接触面；有限元法；本构模型；单桩；相互作用 中图分类号：TU43 文献标识码：A ELASTOPLASTIC DAMAGE MODEL OF SOIL-STRUCTURE INTERFACE IN SINGLE PILE-SOIL INTERACTION ANALYSIS * ZHANG Ga , ZHANG Jian-min (Institute of Geotechnical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: A new interface element for FEM analysis is presented based on elastoplastic damage model of soil-structure interface (i.e., EPDI model) which is characterized by united description of the monotonic and cyclic behavior of the interface between structures and coarse grained soil. The interface element is used to predict the response of the soil-structure interface and confirmed to be effective by test results. The static and cyclic responses such as the friction resistance and the top displacement of a single pile are analyzed by FEM with various interface models and parameters. Results show that the stress-strain behavior of soil-structure interface has significant effect on the pile-soil interaction and should be well considered. The presented model could be effectively used for soil-structure interaction analysis with a reasonable description of the main static and dynamic characteristics of the soil-structure interface, such as volumetric stress-strain relationship, shear stress-strain relationship and their coupling. Key words: geotechnical engineering; interface; FEM; constitutive model; single pile; interaction 桩基础、上部结构与土体的静动力相互作用分析一直受到广泛关注和研究。桩基础与周围土体之 间的接触面力学特性是合理地评价桩基础与地基相互作用的关键问题之一。近年来，已在试验、理
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桩-土接触面力学特性的研究现状 作者：华斌， 赵春风， HUA Bin， ZHAO Chun-feng 作者单位：同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海,200092;同济大学地下建筑与工程系,上海,200092 刊名： 低温建筑技术 英文刊名：LOW TEMPERATURE ARCHITECTURE TECHNOLOGY 年，卷(期)：2009,31(12) 参考文献(19条) 1.Potyondy J G Skin friction between various soils and construction materials 1961(04) 2.Ghaboussi J;Wilson E L;Isenberg J Finite dement for rock joints and interfaces 1973(10) 3.Brandt J R T Behavior of soil-concrete interfaces 1985 4.雷晓燕;G Swboda;杜庆华接触摩擦单元的理论及其应用[期刊论文]-岩土工程学报 1994(03) 5.Katona A simple contact-friction interface element with application to buried culverts 1983(01) 6.Desai C S;Zaman M M Thin-layer dement for interfaces and joints intermational 1984(01) 7.Goodman R E;Taylor R L;Brekke T L A medel for the mechanics of jointed rock 1968(03) 8.D Ngo;A C Scordelis Finite dement analysis of reinforced concrete beams 1967(03) 9.张嘎;张建民粗粒土与结构接触面统一本构模型及试验验证[期刊论文]-岩土工程学报 2005(10) 10.胡黎明;濮家骝土与结构物接触面损伤本构模型[期刊论文]-岩土力学 2002(01) 11.胡黎明;濮家骝土与结构物接触面物理力学特性试验研究[期刊论文]-岩土工程学报 2001(04) 12.沈珠江结构性粘土的弹塑性损伤模型[期刊论文]-岩土工程学报 1993(03) 13.Desai C S;Ma Y Modeling of joints and interfaces using the disturbed-state concept 1992 14.Clough G W;Duncan J M Finite element analysis of retaining wall behavior 1971(SM12) 15.张治军;饶锡保;王志军;丁红顺泥皮厚度对结构接触面力学特性影响的试验研究[期刊论文]-岩土力学 2008(09) 16.Fakharin AK;Evgin E An automated apparatus for three-dimensional monotonic and cyclic testing of interfaces[外文期刊] 1996(01) 17.Dcsai C S;Drumm E C;Zaman M M Cyclic testing and modeling of interfaces 1985(06) 18.殷宗泽;朱泓;许国华土与结构材料接触面的变形及其数学模拟[期刊论文]-岩土工程学报 1994(03) 19.Desai C S;Holloway D M Load deformation analysis of deep foundations 1976 本文链接：https://www.doczj.com/doc/e32199215.html,/Periodical_dwjzjs200912039.aspx
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
桩土接触面薄层单元数值模拟 摘要：桩土接触面是桩土相互作用的关键。利用ABAQUS有限元分析软件，在桩土间增加一定厚度的薄层单元来模拟桩土界面处的剪切错动带。薄层单元力学参数介于桩土之间，单元近桩一侧与桩体的接触本构关系采用库仑摩擦定律，近土一侧与土体相应节点耦合。选择不同厚度与长度的薄层单元，对比分析薄层单元厚度与长度对桩侧摩阻力的影响。研究表明，桩侧摩阻力在不同桩顶荷载作用下，薄层单元厚度与宽度对其有不同程度的影响。 关键词：桩基；有限元；薄层单元 Abstract: The pile – soil interface is the key factor in the pile – soil interaction. In this paper, the pile – soil model was simulated based on numerical method using the finite element software of ABAQUS. The thin layer element of the pile –soil interface was used at the different thicknesses to simulate the mechanical features of the interface between the pile and soil. The elements close to the soil were coupled with the element nodes in the soil. The Coulomb’s law was utilized to reflect the constitutive law of the elements close to the pile In order to reflect the mechanicals and deformation of the interface, different thicknesses and lengths were choose for the thin layer elements to analyze and compare the influence of the thicknesses and lengths to the side resistances of the pile. The result showed that the influence of the thin layer elements to the side resistances of the pile were not the same under different pressure on the top of the pile. Key words: pile; finite element; thin layer element 1引言 桩土接触问题具有一定复杂性和不确定性。由于接触是一种高度非线性行为(陈开旭等，2000) [4]，这给桩土之间力的传递的计算带来一定的困难。利用有限元软件ABAQUS，通过在桩土之间设置有厚度薄层单元来模拟剪切错动带，可以反映桩土接触面力学变化特点。 目前对接触面研究取得很多成果。Goodman等(1968)[3]提出了无厚度接触面单，能够较好地反映接触面切向应力和变形；Cloug和Duncan(1971)[1]提出了接触面处剪应力τ和相对错动位移ws之间的双曲线本构关系；Desai等(1984)[2]提出了薄层四边形单元，既可以反映接触面切向应力和变形，又可以模拟法向应力和变形，与实际接触情况更接近；殷宗泽等(1994)[6]通过对直剪试验研究，否定了Clough和Duncan(1971)[1]提出的接触面处剪应力τ－ws双曲线本构关系，认为土体与结构之间的变形是刚－塑性变形；张冬霁等(1998) [7]在单剪试验的基础上提出了剪切错动带单元，给出了确定薄层单元参数的方法。栾茂田等(2004) [5]提出了非线性–弹性理想塑性模型，并用之模拟接触面变形和破坏机理。 采用有厚度薄层单元模拟桩土接触面时，单元厚度与长度的选择具有一定的