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
不确定性。
对于单元厚度并没有一个确切的计算公式(殷宗泽等，1994)[6]。
因此本文拟在桩土之间设置不同厚度的薄层单元，模拟桩土接触面力学特性，针对薄层单元厚度与长度对桩侧摩阻力的影响进行分析，研究薄层单元厚度与长度与桩侧摩阻力之间的关系。
2有限元分析过程
2.1 几何模型
为减小计算量，且考虑对称性，取1/4桩土模型进行模拟。
桩径为450 × 450 mm，桩长为12m。
土体宽度取30倍桩径，土深度取2.5倍桩长。
土的本构关系采用莫尔－库伦强度理论，每一层土假定为各向同性均质体。
粉质黏土侧压力系数K0可以根据经验公式K0 = 0.95－sinφ’确定，其中φ’为有效内摩擦角(张孟喜，2007)[8]。
桩体采用线弹性模型，指定其弹性模量、泊松比和重度。
三维有限元分析模型见图1。
2.2 接触面相互作用力学模型
库伦摩擦模型中假定当接触面剪应力较小时，桩土之间尚未发生错动，剪应力随着正应力的增加而线性增加；当剪应力超过某一值时，接触面开始出现错动。
库伦摩擦模式见图2。
在本次模拟时，接触单元近桩一侧与桩体之间按照库伦摩擦理论设置。
单元近土一侧与土体相应接电耦合。
为了防止接触压力过大可能导致剪应力也较大，指定一个最大剪应力值τmax。
摩擦系数μ根据经验公式μ = tan0.75φ取值。
2.3单元厚度与长度的选择
Desai等(1984)[2]提出的薄层单元厚度t与薄层单元的长度B的比值应满足: t / B = 0.01 ~ 0.1。
殷宗泽等(1994)[13]认为薄层单元厚度选择时应考虑薄层单元的长度以及整个结构的接触面长度。
张冬霁等(1998)[14]提出剪切错动带厚度h可以作为薄层单元厚度。
本次研究时，兼顾到以上理论，分别设置不同厚度和长度的薄层单元，薄层单元厚度长度见表1。
2.4 接触单元力学参数的确定
设置薄层单元就是为了在力学性质相差较大的桩土之间起到一定过渡作用，所以桩土接触单元的力学参数应参考土体和桩体的力学参数进行设置。
接触单元的力学参数介于桩土之间，接触单元力学参数见表2。
3模拟结果分析
薄层单元厚度为0.04m时，不同桩顶荷载作用下桩侧摩阻力沿桩身分布情况见图3。
由图3可以看出，桩侧摩阻力沿桩体呈线性变化。
最大桩侧摩阻力发生在桩体入土深度9~12m处。
当桩顶荷载为1680kN时，桩侧摩阻力最大桩侧摩阻力为80kPa。
当桩顶荷载超过2240kN时，桩侧摩阻力基本不再随桩顶荷载的增加而增加，当桩顶荷载为5600kN时，最大桩侧摩阻力反而比上级荷载有所减小，且最大摩阻力发生位置为距桩顶9m处左右。
说明桩土接触面已经发生一定的破坏。
桩顶荷载为2800kN时，设置不同厚度薄层单元所得桩侧摩阻力分布情况见图4。
由图4可以看出，在桩身8m以上，桩侧摩阻力不随薄层单元厚度的变化而变化。
在桩体入土深度8m-12m处，当单元厚度小于0.1m时，最大桩侧摩阻力随单元厚度的增加而增加；当单元厚度大于0.1m时，最大桩侧摩阻力基本不受薄层单元厚度的影响。
由于随着薄层单元厚度的增加，薄层单元长度也相应增加，这也使得最大摩阻力发生的位置有上升的趋势。
不同桩顶荷载作用下，且设置不同厚度的薄层单元，利用本文方法模拟得到的桩侧摩阻力最大值见表3。
对表中数据分析表明，当桩顶荷载为小于2800kN 时，薄层单元厚度对桩侧摩阻力模拟结果影响较小。
其中桩顶荷载为1280kN时，在设置不同薄层单元厚度的情况下，最大摩阻力值最多相差0.17kPa；桩顶荷载超过2800kN时，单元厚度对最大桩侧摩阻力具有较明显的影响。
其中桩顶荷载为3360kN时，最大摩阻力值最多相差12.23kPa。
说明在选择薄层单元厚度时应考虑桩顶荷载的影响。
4 结语
4.1 薄层单元厚度与长度的选择对桩土之间荷载传递具有一定的影响。
在一定桩顶荷载作用下，薄层单元厚度小于0.1m时，桩侧摩阻力摩阻力随单元厚度的增加有所变化；薄层单元厚度大于0.1m时，薄层单元厚度对桩侧摩阻力几乎不产生影响。
4.2 当桩顶荷载小于2800kN时，设置不同厚度的薄层单元对桩侧摩阻力的模拟结果影响不大；桩顶荷载超过2800kN时，薄层单元厚度对桩侧摩阻力的模拟结果影响较大。
在选择薄层单元厚度时不仅要考虑到单元长度、桩体长度，而且应考虑桩顶荷载的影响。
考考文献
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