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
桩一土相互作用集中质量模型的土弹簧刚度计算方法 桩一土相互作用集中质量模型的 土弹簧刚度计算方法 孙利民刘东潘龙王君杰 （同济大学桥梁工程系） [摘要]本文针对桥梁柱一土相互作用问题PushOver分析法中, 如何合理地确定土弹簧的刚度和土体的变形的课题进行分析计算。研究了不同地震强度下上弹簧刚度的变化特性，并将Penzien的方法和桥梁设计规范中的 "m法'计算结果进行比较，为桩一土相互作用问题的理论分析和参数选取提供重要的手段和依据。 关键词桩一土相互作用土弹簧刚度土体位移 Penzien模型 m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
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
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)
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
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
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。