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桩-土-结构相互作用初探0引言桩-土-结构相互作用（Pile-soil-structure-interaction,简称PSSI）广泛存在于土木工程的各个领域中。
由于桩-土-结构相互作用问题十分复杂，涉及到动力特性、基础形状、上部结构体系以及动力反应等，因此这方面的研究也较为持久，而且很难得出比较符合实际的成果。
随着科学计算技术的迅猛发展和实验手段的不断改进，重大和复杂体系工程的不断建造，促进了与结构动力相互作用的深入研究，几十年来一直引起国内外的广泛重视和研究。
1桩基简介1.1桩基桩基，一般指利用设置在地基中的桩来加固地基时桩与桩间土联合构成的一种复合地基，而且主要是纵向增强体复合地基。
在桩基中，桩体是纵向增强体，而桩间土则为基体。
随着地基处理技术的发展和桩基理论的日益完善，工程实践中桩的应用已拓展到承受轴向荷载、横向荷载及轴向横向共同作用的情况；以承受横向荷载为主的桩有围护桩、抗滑桩、锚桩等。
因此，广义的“桩基”概念应该也包括这种类型的桩及其基体。
桩基的使用经历了漫长的历史年代，但在水泥未问世以前，实际上能利用的桩型只是由天然材料做成的木桩和石桩。
特别是木桩，我国迄今仍在个别地区使用着。
19世纪中叶以后,由于水泥工业的出现和发展，钢筋混凝土在建筑工程中开始应用，于是出现了混凝土桩和钢筋混凝土桩。
但在初级阶段，由于所采用的混凝土强度和钢筋强度都比较低，钢筋混凝土的计算理论也尚未建立，那时的钢筋混凝土桩，无论从桩型或桩基工程的施工技术来看，都是处于较低的水平。
只是在20世纪20年代特别是第二次世界大战以后，桩基的理论和技术有了更大的发展，桩的应用范围也不断扩大，出现了形形色色的、花样繁多的桩型。
例如预应力钢筋混凝土桩、高强度钢筋混凝土桩以及钢桩等。
桩从古老的、简陋的形式发展为现代桩基的各种不同体系过程中，桩的型式、规格和工作机理都发生了质的变化。
桩的多种类型以及它们的丰富多样的功能，使得它几乎可以用于各种工程地质条件和各种类型的工程中。
桩-土-桩相互作用有限元接触分析摘要：桩土体作为一个共同工作的系统，广泛存在于土木工程实践中，是典型的接触问题之一，对桩-土-桩相互作用的研究也是工程十分关心的，其中桩身摩阻力的分布更是关键所在。
本文基于有限元数值分析方法软件对此进行了深入研究。
关键词：有限单元法；接触非线性；桩土相互作用；桩侧摩阻力中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2010）11-0108-020 引言桩土相互作用问题的实质是固体力学中不同介质的接触问题，具体表现为材料非线性、接触非线性等。
目前，有限单元法是解决复杂空间结构静、动力问题、弹塑性问题最有效的数值方法之一。
本文对桩土相互作用中接触问题进行分析时主要采用接触非线性有限元法，利用ABAQUS有限元软件进行研究。
1 ABAQUS软件概述ABAQUS是功能强大的有限元法软件[1,2]，提供了广泛的功能且使用起来十分简明。
对于非线性分析，ABAQUS能自动选择合适的荷载增量和收敛精度，且拥有十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库。
2 ABAQUS桩土接触分析中需解决的问题2.1 单元类型的选择在接触模拟中采用二阶单元会引起接触面上等效节点力的计算出现混淆，因此接触面两侧的单元一般不宜采用二阶单元，只能采用线性单元。
2.2 主从接触面的建立可以通过定义接触面（surface）来模拟接触问题，本文所涉及的桩土体之间的接触面主要有两类：①桩侧单元构成的柔性接触面（桩侧土体表面）或刚性接触面（桩表面）；②桩底土体一般采用节点构成的接触面，选取桩底土体节点时，不包含己定义在柔性接触面上的节点。
在模拟过程中，接触方向总是主面的法线方向，从面上的节点不会穿越主面，但主面上的节点可以穿越从面。
一般遵循以下原则：①应选择刚度较大的面作为主面，对于刚度相似的两个面，应选择网格较粗的面作为主面；②主面不能是由节点构成的面，并且必须是连续的；③如果接触面在发生接触的部位有很大的凹角或尖角，应该将其分别定义为两个面；④如果两个接触面之间的相对滑动小于接触面单元尺寸的20%，选用小滑动，否则选用有限滑动。
桩的竖向承载力解析桩是一种常用的深基础形式，其主要作用是将建筑物的荷载传递到地下深处，从而保持建筑物的稳定和安全。
桩在承受荷载的过程中，主要的受力形式是竖向承载力。
本文将对桩的竖向承载力进行解析，包括桩的承载力计算方法、桩与土体的相互作用、桩的断裂机理等方面内容。
桩的承载力计算方法桩的承载力是指桩在承受荷载时所能承受的最大力，其计算方法主要有以下几种：1.建筑物荷载法建筑物荷载法是根据建筑物所受的荷载来计算桩的承载力的方法。
具体来说，可以按照荷载作用方式的不同，将建筑物荷载分为集中荷载和分布荷载两种情况，然后分别采用相关的计算公式计算桩的承载力。
2.端承法端承法是根据桩端的沉降来计算桩的承载力的方法。
在使用端承法时，需要先计算出桩端的最大承载力，然后根据桩端沉降和桩的弹性变形，计算出桩的承载力。
3.摩擦法摩擦法是根据桩身与土体的摩擦力来计算桩的承载力的方法。
在使用摩擦法时，需要先估计桩与土体之间的摩擦系数，然后根据桩身的受力情况，采用相关的计算公式计算出桩的承载力。
桩与土体的相互作用桩与土体之间的相互作用是桩的承载力计算中的重要问题。
在桩的承载过程中，桩与土体之间存在着摩擦力、土体中的孔隙水压力等复杂的力学作用。
因此，需要对桩与土体的相互作用进行分析和研究，以提高桩的承载力计算的准确性。
在桩与土体相互作用的过程中，需要考虑的因素包括桩的几何形状、桩的材料性质、桩身与土壤的摩擦系数、土体的物理化学性质等。
这些因素对于桩的承载力的计算和预测都具有重要的影响。
桩的断裂机理桩的断裂机理是指桩在承载荷载过程中，桩身发生破坏的机理。
桩的破坏机理与桩的几何形状、桩材料的物理力学性质、荷载作用方式等因素有关。
在桩的设计和施工过程中，需要对桩的断裂机理进行全面分析和研究，以确保桩的使用安全和稳定。
桩的断裂机理可以为弯矩破坏和剪切破坏两种情况。
弯矩破坏是指桩在承受荷载过程中，受到弯矩作用而产生破坏的机理；剪切破坏是指桩在承受荷载过程中，受到剪切力作用而发生破坏的机理。
水平地震作用下桩—土—上部结构弹塑性动力相互作用分析一、本文概述《水平地震作用下桩—土—上部结构弹塑性动力相互作用分析》这篇文章主要探讨了水平地震作用对桩—土—上部结构体系的影响，并详细分析了这一复杂系统在地震作用下的弹塑性动力相互作用。
本文旨在深入理解地震时桩—土—上部结构体系的动态行为，为工程实践提供理论依据和指导，以提高结构的抗震性能。
本文首先介绍了地震作用下桩—土—上部结构体系的研究背景和意义，阐述了国内外在该领域的研究现状和发展趋势。
接着，文章对桩—土—上部结构体系的弹塑性动力相互作用进行了理论分析，包括桩土相互作用、地震波的传播与散射、结构的动力响应等方面。
在理论分析的基础上，本文进行了数值模拟和实验研究。
通过建立合理的数值模型，模拟了不同地震波作用下的桩—土—上部结构体系的动态响应过程，得到了结构的地震反应特性和破坏模式。
同时，结合实验数据，验证了数值模拟的有效性，并对模拟结果进行了深入分析。
本文总结了地震作用下桩—土—上部结构弹塑性动力相互作用的研究成果，指出了现有研究的不足和未来研究方向。
文章强调了在实际工程中应考虑桩土相互作用的影响，合理设计抗震结构，以提高结构的整体抗震性能。
通过本文的研究，可以为工程师和科研人员提供有益的参考，推动桩—土—上部结构体系抗震设计方法的改进和完善，为保障人民生命财产安全和提高建筑行业的可持续发展水平做出贡献。
二、桩—土—上部结构相互作用的基本理论桩—土—上部结构的相互作用是一个复杂且关键的动力学问题，涉及到地震波传播、土壤动力学、结构动力学等多个领域。
在水平地震作用下，土壤对桩的约束和桩对土壤的支撑形成了相互作用力，这些力通过桩传递到上部结构，进而影响整个系统的动力响应。
桩—土相互作用的理论基础主要是基于土的动力学特性和桩土之间的接触关系。
土壤在地震作用下的行为受到其本身的物理特性（如密度、弹性模量、泊松比等）和动力特性（如阻尼比、剪切波速等）的影响。
桩土共同作用的探讨0 引言随着经济建设的高速发展，高层建筑越来越多，出现了许多深基坑工程，在对地基进行处理时，桩基础由于其自身在控制沉降和承载力方面的可靠性，而受到越来越多的重视，桩土共同作用的理论也有了长足的进步和发展，而桩土共同作用就是充分利用桩和地基土的承载力使两种力学性质完全不同的材料能够同时承担上部结构荷载，且变形控制在允许的范围之内。
本文从以下五个方面介绍了桩土共同作用的分析方法[1]。
1 弹性理论方法在进行理论计算时，任何学科的研究，都要略去影响很小的次要因素，抓住主要因素，在进行桩土共同研究作用的分析时，也是如此，弹性理论方法首先假设土体是连续的，均质的，各向同性的半无限弹性空间体，应力与应变的关系可用胡克定律来表示。
用弹性理论方法解决桩土共同作时，假设桩体被插入理想的土体中，土的弹性模量及泊松比不因为桩的存在而受影响，桩周粗糙，而桩底平滑，桩土之间保持弹性接触，桩与桩侧土的位移相等，忽略桩土的径向变形。
弹性理论方法的优点是考虑了实际土体的连续性，就此一点而言，可用于考虑群桩中桩与桩这间的相互影响的群桩分析[2]。
2 有限单元方法有限单元法也称有限元法，是以弹性理论为基础，用矩阵这一数学工具进行推演，用计算机程序作数值解算（如结构应力、变形、频率、振型等计算），是求解各领域数理方程的一种通用的近沂似计算方法[3]。
用有限单元方法对桩土共同作用进行分析时，可同时考虑影响桩性能的许多因素，如土的非线性、非均匀性、各向异性、土体的固结、蠕变等。
Ellison等是最早使用有限元方法分析桩土共同作用的单桩。
国内外的学者也先后提出用有限元法考虑诸多因数的分析方法[4]。
但由于实际工程的复杂性，并且计算参数相对较多，再者它又受到计算机内存和速度的限制，用有限单元方法直接在工程上的运用仍是困难的。
3 传递函数法Seed和Reese根据试验结果，提出了荷载传递法的理论分析方法。
此方法是将桩离散成许多小的单元，假设每个单元与一“弹簧”连接，用以表示该处桩与土的联系，“弹簧”的应力一应变关系反映土阻力与桩位移的关系，称之为传递函数。
桩土相互作用研究综述
桩土相互作用是指桩和周围土体之间的力学相互作用过程。
这种相互作用在土木工程中非常重要，因为桩是支撑建筑物或其他结构的重要元素之一。
研究桩土相互作用是为了更好地理解和优化这些结构的设计和建造。
桩土相互作用的研究主要包括以下几个方面：
1. 桩的承载力和变形特性。
这涉及到桩的材料和几何形状，以
及周围土体的性质，包括土壤类型、密度、水分含量等。
2. 土体在桩周围的应力场。
这涉及到土体的力学特性，如弹性
模量、剪切模量、泊松比等，以及桩的位置和深度。
3. 土体在桩周围的变形特性。
这包括土体的水平和垂直变形，
以及桩的侧向位移和弯曲变形。
4. 桩的抗拔和抗侧力能力。
这涉及到桩的纵向和侧向刚度，以
及周围土体的摩擦系数和黏聚力。
5. 土体在桩周围的孔隙水压力。
这涉及到土壤的渗透性和水文
特性，以及桩的位置和深度。
6. 土体在桩周围的动力响应。
这涉及到土体的动力特性，如自
然频率和阻尼比，以及结构的震动频率和振幅。
综上所述，桩土相互作用研究是土木工程中非常重要的一个领域，它关系到建筑物和其他结构的安全和可靠性。
今后的研究应该进一步深入挖掘桩土相互作用的细节和机理，以便更好地指导工程实践。
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概析桩-土相互作用机理
1、引言
当上部结构的荷载较大、适合于作为持力层的土层埋藏较深，并且采用天然浅基础或仅作简单的人工地基加固仍不能满足要求时，常采用的一种方法就是做桩基础。
把结构支撑在桩基础上，荷载通过桩传到深处的坚硬岩土上，从而保证建筑物满足地基稳定和变形容许量的要求。
桩通过其侧面和土的接触，將建筑荷载传递给桩周围的土体，或者传递给更深层的岩土，从而获得较大的承载能力以支撑上部的大型建筑物。
因此，研究桩土间的相互作用机理不仅能够对基础设计提供合理参考，在桩基施工过程中也可对安全施工做出贡献。
桩-土共同作用问题是地基基础与上部结构共同作用问题中的一个分支，研究地基基础与上部结构共同作用的理论，重要的是解决桩、地基土和基础之间共同作用的问题。
在该课题研究的几种方法中，比较完整的三维空间分析方法系由Hongladaromp等人和Hian提出。
进几十年来来，随着国内基础建设的兴起，桩基基础在全国各地都被广泛采用，桩-土共同作用机理也越来越被重视，许多学者采用各种试验方法并取得了不少有价值的研究成果。
但因为地下空间的复杂，影响桩-土共同作用的因素繁多，使桩-土共同作用问题研究仍然存在尚未解决的问题。
因此，本文将对这些具有代表性的研究成果进行简单的回顾，并阐述当今桩-土共同作用研究中存在的问题和今后的发展方向。
2、桩-土共同作用研究现状
近年来，桩-土共同作用问题被广泛研究，主要影响因素有上部荷载形式以及桩型选取和土性变化，而桩型和土性影响可以归为桩-土界面影响因素。
下面主要详细介绍近几十年来桩-土共同作用机理研究进展。
80年代，费勤发等对建筑荷载下复杂的单桩位移影响系数以及桩对桩位移影响系数的计算给出了简易解法。
并且对单桩的一系列参数给出可以笔算的解析式。
将桩对桩以及桩对土的位移影响系数计算归并于单桩位移影响系数计算公式中。
将简化计算解与精确解进行详尽的比较和细致的分析给出简化计算解的最大相对误差范围，而简化计算结果足以满足工程要求。
文中对于单桩的各种参数计算，给出可以笔算的解析式，可以更好地预估单桩受力特性，同时对杨氏模量E 的选取更为方便；桩对桩以及桩对土的影响系数计算均可归并于单桩位移
影响系数的计算公式中。
简化了各情况的位移影响系数的计算，最终所得结果为可信。
1990年，何颐华等通过某高层建筑的原体工程实测和室内模型试验，揭示了桩土共同作用的机理。
本试验结果还表明，建筑荷载是由桩和桩间土共同承担的，并且指出而桩间土只分担建筑物荷载的20 %，而桩能够分担建筑物荷载的80 %，并且还获得了由容许荷载，极限荷载到破坏荷载全过程的桩顶荷载分配曲线，为实际工程的合理设计提供理论依据。
2010年，温永钦等采用数值分析方法研究了碎石桩复合地基中桩土接触处的相互作用，更加深入细致的研究了碎石桩的力学特性。
作者采用AD INA 有限元程序，对碎石桩成桩过程进行模拟，重点分析了振冲碎石桩复合地基中桩与土的摩擦接触作用，研究表明，应力最大的点在桩顶附近，应力最小的点在中性点附近，这为进一步分析碎石桩中桩土相互作用提供基础。
2014年，赵文华等采用数值模拟和室内试验相互结合的方法，得到不同固结条件、不同载荷频率影响下的动应力、动应变关系，通过数值模拟分析了桩的各种不同因素对桩土体系横向变形的影响.研究结果表明：通过调整桩长、桩径以及弹性模量各值，通过组合可达到合理值，这个值可以定为桩的最大承载能力。
作者通过ADINA 通过建模，生成单排桩（1×2）形式的3D 实体单元，采用施加正弦函数形式荷载来模拟交通载荷，对土层、桩间相互作用进行模拟计算。
土层采用软土层和硬土层这两层典型土，采用Drucker-Prager本构模型。
图1所示为试验的主要结果，是对四种影响因素的分析，从图1（a）可以看出，桩的弹性模量变化对桩土作用产生明显的影响，桩抵挡土横向作用的能力是随着桩的弹性模量减小而减小的。
从图1（b）可以看出，在相同条件下，桩径
越小，桩越柔软。
可以看出，在Z=-3 m 处直径较小的两根桩都能够出现最大的横向位移值，位移随着直径的增大而减小由图1（c）可以看出短长桩在软土中的横向位移大于短桩，两者最大位移在软土层Z= -4m附近。
对于长桩，桩体在硬土中嵌固的长度比较大，并且上部处于软土层的桩发生横向位移比较大，而进入硬土层的桩基被束缚后位移逐渐变小，导致桩底的位移也几乎为0。
由图1（d）可以看出，软土层厚度的大小对桩的性状有很大的影响且比较复杂，规律不一。
3、桩-土共同作用研究的发展方向
（1）相关研究仅考虑了桩体承受竖向载荷和水平荷载这一情况或者两种荷载的共同作用，实际桩基设计时还必须进行地震、群桩效应等情况下的验算，因为过高的应力集中和桩群之间的相互作用对桩身的安全稳定性影响也较大，因此，复杂外界荷载形式下桩-土相互作用机理需要进一步研究。
（2）在数值模拟方法的应用中，通常采用有限单元法研究桩-土共同作用，实际上，桩在受荷变形可认为是连续小变形，但土是能够发生大变形的离散介质，采用分析连续介质的有限元方法有所欠缺，可考虑采用适合非连续介质的数值方法模拟，故对于桩-土作用界面实行两种或多种数值方法共同分析，即多种数值方法的耦合的研究具有较大空间。
（3）土的性质在桩-土研究中起着重要作用，实际土中环境非常复杂，如地下水、应力历史等影响，如何在相关研究中考虑这些因素或者评估土中影响因素的敏感性也是今后的重点。
参考文献
[1]费勤发，张问清，赵锡宏. 桩土共同作用的位移影响系数的计算[J]. 上海力学，1983，4：11-26.
[2]何颐华，金宝森. 高层建筑箱形基础加摩擦群桩的桩土共同作用[J]. 岩土工程学报，1990，12（3）：78-79.
[3]温永钦，申向东，王琪. 碎石桩复合地基桩土作用的数值分析[J]. 内蒙古农业大学学报：自然科学版，2010 （2）：249-252.。
