概析桩-土相互作用机理
桩土相互作用-学号2015221001
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-结构共同作用控制理论分析
研究表明 ，承台可以分担 ２ ％ Ｏ 以上的上部 荷载 ，不考虑相互作用 的计算理论保 守且 不科 学。 其实 ， 早在上世纪 三四十年代上海的桩基础
设计曾经采用简易的考虑桩土共同作用的计算
模 型 ， 以后没有得到推广 。到上 世纪七十年 但 代 ，考虑承 台底 土体承担荷载 的共 同作 用理论 成 了当时研究的热 。 ｕ ｅ ｉｄ Ｂｎｒ ｅ Ｂ ｔｒｅ 和 ａｅ ｅ 在 ｔ ｆｌ ｊ 假定承 台地 面光 滑、 台刚度无 限大的基础上 ， 承 对桩一 承 台体系进行 了弹性分析 ，研究 了桩 土一 台系统 的荷 载位 移性状 及 承台 与桩 的荷 载 分 配， 分析表 明： 各桩在承 台参与作 用时承受荷载 与 承 台不参与 作用 时有 明显差 别。Ｒ ｎ ｏ ｈ ａｄｌ 、 ｐ Ｐ ｕｏ 等对 此均作 了一定的研究 ，后来发展成 ｏｌ ｓ 分 别以 Ｍｉ ｌ 位移基本解 、 ｎｉ ｄｎ 应力解为出发点 的 位移法 、 应力法。Ｃ ｏｅ ｏｋ 等提出了以桩周 同心 圆 式分 布的弹性 剪切位移场模式 为基础的剪切位 移法 ， 并用 于分 析单桩 、 桩与土 的共 同作用 。 群 尚守平 等用位移系数来求解群桩 中每根桩 的荷 载分配 系数，以及应用 Ｇ ｄｅ 的应力系数 计算 ｅｄｓ 桩、 土地基 的柔度矩 阵 ， 对桩箱 基础与地基 土的 共 同作 用进行 了弹性分析。 线 弹性共 同作用理论考虑了桩一 承台的 土一 相互作用 ， 尤其是 考虑了桩 、 承台与地基土 共同 分担荷载 ， 是一个很大的进步。但是 ， 以线 性关 系表示桩一 承 台的相互作用过 于粗 略 ，与实 土一
在实际应用中， 桩基础通常都是 以桩 一 承台 的形式 工作的。桩一 结构共 同作用理 论是桩 土一 基 础课题的关键所在 。本文在对桩土共 同作 用 的计算 模型和控制理论两方面详细分析 的基 础 上 ， 出了以控制差异沉 降为 目的 、 Ｉ 土接 提 弓入桩 触单元 同时考虑土体 固结和上部结构 冈 度的ｊ ４ 维有限元计算理论。 １桩一 结构计算模型 土一 桩一 结构计算模 型经历 了不考 虑共同作 土一 用 、线弹性共 同作用和非线性共 同作 用三个阶
桩-土-桩相互作用有限元接触分析
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。
地震作用下桩-土-结构相互作用的分析
２ １ 程 概 况 ．工
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某 六 层 框 架 结 构 ， 高 ４米 ， 于上 海 南 汇 区 ， 区 位 于 长 江 人 海 层 位 该 口， 冲积 平 原 ， 质 条件 较 差 。 构 平 面 图如 图 ２所 示 ， 主要 承 重 构 属 地 结 其 件 的截 面尺 寸 及 材 料 力 学性 能 参 数 如 下 ： 框 架 柱 ：０ ｍ ４ ０ ４ ０ ｍｘ ０ ｍｍ混 凝 土 柱 外 环 梁 ：０ ｍ ４ ０ ３ ０ ｍＸ ０ ｍｍ混 凝 土 梁 楼 面粱 ：０ ５ ０丁 字 钢 ， Ｈ ５ ０ ｍ， Ｂ ２ ０ １ｘ０ 高 ＝ ０ ｍ 宽 ＝ ０ ｍｍ， 缘 １ １ｍ 翼 １ ６ ｍ， ＝ 腹板 ｔ １ｒｌ ２ ０ｌｌ ＝ ｌ ｌ 楼 面 板 ：Ｏ ｍ 混 凝 土楼 面板 ｌＯ ｍ 材料特性 ： 土 Ｃ ０ 弹 模 Ｅ ３０ １ ／ 泊 松 比 Ｖ ０２ 密度 Ｐ 昆凝 ３， ＝ ．ｘ ０ Ｎｍ ， ＝ ．， ＝
Ｗｉｋｅ 地基上的梁模型 、 ｎｌｒ 波动场模型 以及有限元模 型。 ３种模型 中由于 动 力 Ｗｉｋ ｒ 基 上 的梁 模 型 力 学 概 念 清 楚 ， 单 实 用 ， 于被 Ｔ 程 人 ｎｌ 地 ｅ 简 易 员接 受 而 被 广 泛 运 用 。 本文 拟 采 用 这 一 模 型 ， 桩 离 散 为 梁 单 元 ， 节 将 在 点处 考虑 水 平 位 移 和 转 角 ， 桩 体 的 质 量 集 中在 节 点 处 。土 体 由离 散 的 将 弹簧 一阻尼器系统代替 ， 简化模型见图 １ 。
９度
桩的竖向承载力解析
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。
桩土相互作用研究综述
作者简介 ： 民（９０ ） 男 ， 戴 １８ 一 ， 江苏 常熟人 ， 士研究生 ， 硕 主要从事地基及基础工程研究
维普资讯
第５ 期
戴
民， 等
桩土相互作用 研究综述
５９ ６
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 ， 于计 算 ． 便
Ｍｎｌ 位移解求得桩周土体的位移 ． ｉ ｉ ｄｎ 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 ． 果假 定 Ｍｉ ｌ 移解 在群 桩 的情 况下 仍 旧适 用 ， 弹性 理论 法 可 以被 推 广 至群 桩 的 如 ｎｉ ｄｎ位 则
相 互作 用分 析 中 ．
何快速 、 有效地加固软土地基成为当前岩土工程界研究 的热门课 题 ． 软土地基加 固的主要技术有 ： 排水固结 法、 换土垫层法 、 灌浆法 、 复合地基等【 ． 因复合地基技术对软土加 固直接有效 ， 能快速提高承载力 ， 工后沉降 相对较小， 且具有广泛的适用性 ， 其应用越来越广泛 ． 前 困扰公路建设 的桥头跳车 、 目 工后沉降等问题也主要 采用 Ｃ Ｇ桩＿ Ｐ Ｃ桩ｌ等刚性桩复合地基技术进行处理 ． Ｆ ２、 ２ Ｃ ＿ ３ ｊ 然而， 复合地基的理论研究落后于工程实践 ． 许多学者＿认识到 ， ４ Ｊ 研究复合地基中桩与土的相互作用， 将 有助于了解复合地基的承载机理 ， 以便充分利用桩基承载和抵抗变形的能力， 优化复合地基设计 、 施工方案 ， 取得更好 的软基加固质量 ． 因此本文对桩土相互作用的研究状况作一综述 ， 介绍国内外桩土相互作用两大类 研究方法各 自的特点和适用范围， 分析其各 自 存在的主要 问题 ， 出了桩土相互作用问题研究的发展方 向． 指
水平地震作用下桩—土—上部结构弹塑性动力相互作用分析
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
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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桩土相互作用研究综述
１ 国 内研 究现 状
文献 ［ １ １ ］ 分析 了锤和桩 撞击 过程 以及结 束后 ， 桩 土 的接 桩土相互作用作 为工程中重点 问题 ， 国内已有很 多人用 不 同 响因素 ； 王 育兴 等 刮运用无 限介质 中圆柱小孔 和球形 小孔 扩张理 方法对其进行 了研 究 。徐 峰等 利用 有限元 软件 研究 了在 建筑 触情况 ； 求 出沉桩 过程 中桩 荷载作用下桩 土之 间的相互作用方式 ， 得 到了在建筑荷 载 和土层 论 分别模拟饱和粘性 土中打入 桩的沉桩 过程 ， 作用下桩 的位移 量及其 轴 向分 布 ； 陈顺 伟等 采用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ有 限 周土体 的应力分布 ， 分析沉桩引起桩 周土体土性 的变化 及其对 土
沉 降及高桩码 头 的荷 载 响应 等 ， 都 需要 对桩 土 相互 作 用进 行研 桩 土作用进 行分析并考虑桩侧翼缘 对桩土作 用规律 的影 响 ， 指 出 究 。为解 决桩土相互 作用 问题 ， 人们 在理 论研 究 、 模 型分 析和 现 通过设 置翼 缘可以进一步 增强 桩体抗侧 移能力 ； 文献［ ８ ］ 针 对桩 场试 验的基础上提 出 了弹性 理论 法 、 传 递 函数法 、 剪 切位 移法 和 侧 土作 用的影响 ， 通过桩 土作 用下 桩 的振动方 程 ， 探讨 了摩 擦桩 数值 分析法等理论 计算 方法 。虽然 桩土相 互作 用理 论 日益发 展 在考虑 土作 用下的振动方程及桩长公式 ； 王春等 通过 工程实例 和完善 ， 但 由于土壤 力学性能复杂 以及 桩基 的受力机理 和变形 特 分 析了 目前 常用桩土模型在设计计 算过程 中的局限性 ， 并 提出 了 征仍 然没有完全搞清楚 ， 导致这些计算 方法还处 于半理 论半 经验 状 态 Байду номын сангаас为 了修正补充这些理论研 究成果 ， 桩土相 互作用 还有 进一
桩-土-结构相互作用对铁路大跨连续刚构桥地震反应的影响
收稿日期5作者简介蒋成强(),男,年毕业于兰州交通大学土木工程学院桥梁与隧道工程专业,工学硕士,助理工程师。
文章编号:1672-7479(2010)05-0082-03桩-土-结构相互作用对铁路大跨连续刚构桥地震反应的影响蒋成强(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津300142)In fl uence of In teraction bet ween P ile and Soil o n Anti seis m ic P erform anceof Ra ilroad Con ti nuous R igi d F ra m e Bridge w ith Large SpanJi ang Chengq i ang摘要以某铁路跨黄河连续刚构桥为研究对象,应用大型有限元分析软件M I D AS ,建立了该桥的三维有限元模型,采用质量弹簧体系模拟基础和地基,分析了地质条件改变对该桥动力特性和地震响应的影响,所得结论可为今后大型桥梁的设计研究提供参考。
关键词桩-土-结构相互作用大跨连续刚构桥动力特性地震反应分析中图分类号:U44823文献标识码:B地震是一种自然现象。
全球每年平均发生破坏性地震近千次,其中震级达7级或7级以上的大地震约十几次,给人类带来了极大的灾难,严重地威胁到人们的财产及生命安全[1]。
有关地基基础的震害在各次地震中都有发生,造成的破坏及其后果令人震惊。
桩基是建于软弱土层中的桥梁最常用的基础形式。
桩-土-结构动力相互作用使结构的动力特性、阻尼和地震反应发生改变,主要表现为自振周期延长、阻尼增加、内力及位移反应改变等[2],而忽略这种改变并不总是偏安全的。
因此,对建立在桩基上的上部结构进行抗震分析时,有必要将桩-土-结构作为一个整体来研究,并且考虑其相互作用的影响。
以某铁路跨黄河连续刚构桥为例,建立了该桥的空间有限元模型,并通过改变地质条件,研究场地土的刚度对该桥动力特性和地震反应的影响,得出了有益的结论,可供抗震设计时参考。
桩土相互作用研究综述
桩土相互作用研究综述桩土相互作用是土木工程中一个重要的研究领域。
桩土相互作用的研究对于正确设计和建造桩基础具有重要的意义。
本文将综述桩土相互作用的研究进展，以及目前存在的问题和挑战。
一、桩土相互作用的概念和机理桩土相互作用是指桩与周围土体之间相互传递应力和变形的过程。
在桩基础设计中，了解桩土相互作用的机理对于准确预测桩的承载力和变形具有重要意义。
桩土相互作用的机理主要包括以下几个方面：1. 桩的承载机制：桩在土体中的承载主要有摩擦桩和端承桩两种机制。
摩擦桩主要通过桩身与土体之间的摩擦力来承担荷载，而端承桩则主要通过桩底的抗压强度来承担荷载。
2. 桩侧阻力的形成：桩侧阻力是指土体对桩身的摩擦力和侧向抗力。
桩侧阻力的形成与土体的固结、摩擦力以及桩身的形状和材料有关。
3. 桩的变形规律：桩在受到荷载作用时会发生一定的变形，包括沉降、弯曲、扭转等。
桩的变形规律与土体的性质、桩的刚度以及桩身的形状等因素密切相关。
二、桩土相互作用的研究方法桩土相互作用的研究方法主要包括实验方法、数值模拟方法和理论分析方法。
1. 实验方法：通过在实验室或现场建立模型，加以荷载并观测其变形和破坏形态，来研究桩土相互作用的规律。
实验方法可以直观地模拟实际情况，但成本较高且受到尺寸效应和边界效应的影响。
2. 数值模拟方法：利用有限元、边界元等数值方法，将桩和土体建模，并通过计算机模拟桩土相互作用的过程。
数值模拟方法可以对复杂的桩土相互作用进行较为准确的分析，但需要依赖于土体的本构模型和桩土界面的模型。
3. 理论分析方法：通过分析桩和土体之间的力学关系，推导出相应的理论公式或解析解，来研究桩土相互作用的规律。
理论分析方法可以快速得到一些近似解或推测结果，但需要对土体和桩的力学特性做出一定的假设。
三、桩土相互作用的研究进展桩土相互作用的研究已经取得了许多重要的成果。
在摩擦桩的研究方面，人们通过实验和理论分析，得出了一系列的计算公式和设计方法，可以较为准确地预测桩的承载力和变形。
用ANSYS软件分析桩土相互作用
159.91
159.91
1.44
13
Very dense sandy SILT
—82.75
9.60
Nq=20
81.39
4.79
14
Very stiff lean CLAY
qmax=4.79 MPa
—88.85
9.80
169.97
169.97
1.53
15
Very stiff lean CLAY
—92.66
180.02
151.77
1.62
10
Very dense sandy SILT
—60.96
9.20
Nq=20， 81.39
4.79
11
Very dense sandy SILT
qmax=4.78 MPa
—67.67
9.80
Nq=40
95.76
9.58
qmax =2.58 MPa
12 Hard to very stiff lean CLAY —80.01 10.19
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。
经计算，在平台产生的外载荷作用下，桩土中的应力分布见图 1(a)所示。为了观察钢管桩中的应力分 布情况，将图 1 沿中心剖开，取左边一半观察，得到的应力分布状况见图 1(b)所示。由图示可知，计算出 的最大应力值为 252MPa，位于海底以下 3.30657m 处的桩身中。最大应力值小于桩的许用应力，满足强度 要求。
桩—土—渡槽—水相互作用动力特性
第３０卷第１１期２ ０ １ ２年１ １月水 电 能 源 科 学Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．１１Ｎｏｖ．２ ０ １ ２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）１１－０１０１－０４桩—土—渡槽—水相互作用动力特性分析王 博，申金虎，徐建国（郑州大学水利与环境学院，河南郑州４５０００２）摘要：目前，对渡槽抗震性能的研究多集中在槽身与水体的流固耦合问题上，对桩土间的动力相互作用则研究较少，然而桩土相互作用会影响渡槽结构对动荷载尤其是地震荷载的反应。
为探究桩土相互作用对渡槽结构动力特性的影响，采用大型有限元软件ＡＢＡＱＵＳ对南水北调中线工程双洎河渡槽建立了同时考虑流固耦合和桩土相互作用的桩—土—渡槽—水三维仿真力学模型，并进行了不同工况下的自振频率及振动模态分析。
结果表明，与固结模型相比，考虑桩土相互作用的渡槽结构在地震荷载作用下自振频率减小，桩土相互作用改变了渡槽结构动力特性。
关键词：渡槽；桩土相互作用；流固耦合；模态分析；抗震中图分类号：ＴＶ６７２＋．３；ＴＵ３１２文献标志码：Ａ收稿日期：２０１２－０４－０６，修回日期：２０１２－０５－０８基金项目：河南省重点科技攻关基金资助项目（１２２１０２２１００９１）作者简介：王博（１９５６－），男，教授、博导，研究方向为水工结构抗震与防灾减灾，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｏｙｕｌｉｘｉｎ＠１６３．ｃｏｍ 渡槽作为一种重要的水工建筑物，在南水北调水利工程中被广泛采用。
做好渡槽的抗震设计，对保护人民生命财产安全具有重大意义。
对渡槽进行抗震分析时常假设地基为刚性，进而直接将渡槽墩底固结于地面上，然而实际情况是在地震荷载作用下由桩土间相互作用引起上部结构振动，刚性地基的处理方法过于简化，与实际情况不符。
因此在对渡槽进行抗震分析时，不应忽略桩土间相互作用［１～３］，有必要将桩—土—渡槽—水作为整体进行研究。
鉴此，本文以南水北调中线工程双洎河渡槽为例，采用大型有限元软件ＡＢＡＱＵＳ建立了桩—土—渡槽—水相互作用分析模型，并进行了不同工况下的自振频率及振动模态分析，以期为渡槽抗震设计提供参考。
桩的水平承载力作用机理分析
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)。
被动条件下桩—土相互作用机理及被动桩工作性能分析
3、设计与施工脱节：在被动桩的设计和施工过程中，往往出现设计与施工脱 节的现象，导致被动桩的实际效果与设计预期存在偏差。
四、对策建议
为解决上述问题，提出以下对策建议：
1、加强理论研究：深入研究被动桩桩土相互作用的机理，开展数值模拟和实 验研究，建立更为精确的理论模型。
2、开发新的监测手段：积极开发新的监测手段，如地质雷达、光纤传感器等， 以实现对被动桩施工过程中的实时监测和反馈。
一、如何选择合适的被动桩
被动桩是指通过在土体中设置桩体，利用土体自重、相邻土体的位移以及桩端 处土体的位移等被动能量，对桩体进行加载的试验方法。在选择被动桩时，应 考虑以下因素：
1、土体性质：不同土体的力学性质不同，选择被动桩时应根据土体的性质进 行选择。
2、桩身材料：桩身材料对被动桩的性能也有很大影响，应考虑材料的强度、 刚度、耐久性等因素。
3、施工工艺：施工工艺对被动桩的性能也有很大影响，应考虑施工工艺的可 行性、经济性等因素。
二、桩土相互作用对结构性能的 影响
在被动桩加固地基的过程中，桩与土之间相互作用，形成了一个复杂的力学系 统。这种相互作用对结构性能的影响主要表现在以下几个方面：
1、承载能力：桩土相互作用会影响桩体的承载能力，使桩体的承载能力降低。 2、位移：桩土相互作用会使桩体产生位移，进而影响结构的安全性和稳定性。
（2）施工影响小：由于被动桩的施工过程对周围环境影响较小，因此适用于 城市改造和环境保护要求较高的工程。
（3）承载力分布均匀：被动桩的承载力分布较为均匀，能够有效减小桩端处 土体的负担，降低沉降风险。
3、常见问题及解决方案
在被动桩的实际应用中，可能出现以下问题：
（1）承载力不足：这可能是由于土体性质、桩体材料或施工工艺等因素的影 响，导致桩土相互作用不足，从而使被动桩的承载力达不到设计要求。针对这 一问题，应采取针对性措施，如改善土体性质、提高桩体材料质量、优化施工 工艺等。
桩土共同作用研究综述
桩土共同作用研究综述摘要：现如今桩基础在高层建筑、桥梁及港口工程中应用十分广泛。
通过桩土共同作用理论的分析，探究如何充分发挥出地基土的承载能力，从而实现桩土相互作用以达到提高桩基础的经济性、安全性、耐久性是一个十分有意义的课题。
本文对近年来国内外桩土共同作用理论研究的发展进行了归纳总结。
关键词：桩基础；桩土共同作用；地基承载力；研究现状引言桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小，便于机械化施工等优点，所以与其他深基础相比，桩基础的应用最为广泛。
而在传统桩基础设计中通常只考虑桩来承担上部传来的所有荷载，而地基土的承载力不能得到发挥造成了较大的浪费。
在竖向荷载作用下，桩体发生弹性压缩变形，桩与桩侧土体产生相对位移形成向上的桩侧摩阻力，另一部分荷载通过桩身传至桩底使桩底土层产生压缩变形，桩端土对桩体产生桩端阻力，地基土在保证地基稳定性中起到了至关重要的作用，所以说，土与桩体之间的相互作用关系是研究桩基承载力设计时极为重要的一个环节。
国内外研究现状1988年，杨克己[1]等人通过模型试验研究提出桩间土在受荷过程中有迟后作用，若要使桩间土能够承担上部传来的荷载需满足的条件有：基础下的土体不产生自重固结沉降、湿陷等情况造成基础脱空；基础的荷载需大于其极限荷载，桩距需大于3.5桩径或边长，入土深度需大于1.5倍基础宽度；桩尖土的刺入变形大于桩间土的压缩变形。
1991年，杨军[2]等人通过自编的有限元软件FHDJ程序，对水泥粉煤灰碎石桩复合地基受荷进行分析，提出在基础与桩之间铺设褥垫层能够有效协调桩土之间的变形，为桩土共同作用提供了保证。
1991年，Y.K.Chow[3]采用线性弹性模型，考虑各桩周围土体的杨氏模量的径向变化，对荷载作用下群桩的沉降进行了分析。
并通粘土群桩现场试验实例的分析，论证了土的弱化区对桩-土相互作用的影响。
1995年，宰金珉[4]提出影响桩土荷载分担的主要因素有桩距、名义单桩平均荷载等。
桩间土定义
桩间土定义一、桩间土的概念桩间土是指桩与桩之间的土体，它在土力学和地震工程中扮演着重要的角色。
桩间土的特性和行为对桩基础的承载力、变形性能以及桩基础与周围土体的相互作用有着重要的影响。
二、桩间土的形成原因桩间土的形成主要有以下几个因素： 1. 施工过程中，桩周土体受到挖掘、灌注浆液或振动等力的作用，导致土体的松动、压密、重排和水分迁移等现象，形成桩间土。
2. 桩筏基础等结构中，由于相邻桩基础之间的距离较近，土体承受的应力影响力较大，桩间土的形成则更为明显。
三、桩间土的特性桩间土的特性主要体现在以下几个方面： 1. 桩间土具有良好的强度和刚度，可以充分利用桩基础与土壤的相互作用，提高桩基础的整体承载力和刚度。
2. 桩间土作为土体结构的一部分，会对桩的受力情况产生影响，如桩的轴向力、弯矩和剪力等。
3. 桩间土在地震或其他外力作用下，会出现惯性力、附加摩阻和桩土共振等现象，对桩基础的设计和分析提出了更高的要求。
四、桩间土的力学性质桩间土的力学性质包括刚度、强度、变形特性等。
下面将详细探讨每个方面的特点：1. 刚度刚度是指桩间土对应力或应变的响应程度。
桩间土的刚度与土体的纵向和剪切刚度有关。
通常使用剛度参数E50来表示桩间土的刚度，其定义为土体在50%的最大围压下的剪切应力-应变模量。
2. 强度桩间土的强度是指土体承受剪切应力的能力。
桩间土的强度与土体的抗剪强度有关。
可以通过直剪试验来确定桩间土的抗剪强度参数，如内摩擦角和剪切摩阻力。
3. 变形特性桩间土的变形特性与土体的压缩性、剪胀性等有关。
土体在受到外部力作用下会发生变形和变密，这种变形与土体的压缩模量和剪胀系数有关。
桩间土的变形特性在桩基础的设计和分析中起着关键作用。
五、桩间土的分析方法桩间土的分析方法主要有数值模拟和经验公式两种。
数值模拟方法基于有限元或边界元理论，可以更为精确地模拟桩基础与土体的相互作用。
经验公式则基于大量的试验数据和实例，结合工程经验给出桩间土的力学参数。
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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.。