桩土相互作用下单桩特性

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

不同的ES1值，并在桩顶施加700kN的荷载进行分析，得到土体压缩模量ES1对桩顶沉降的影响曲线如图3-3所示。

图3-3表明，随着土体压缩模量ES1的不断增加，桩顶的沉降曲线斜率逐渐减缓。沉降减小的幅度达37%，说明增加桩间土的压缩模量对减小桩顶沉降影响较大。在实际工程中，通过对地基进行加强处理，可以很好地减小桩顶沉降。

由图3-4可知，土体压缩模量的改变，对桩端上面的土体位移影响较大，而对桩端以下的土体位移几乎没有多大的影响。当ES1较大时，土体的位移主要集中在桩顶部分，桩土间的沉降相对减小。当ES1较小时，桩土间的沉降较大，土体的位移滑动也相对集中在桩顶部分，在相同荷载作用下，土体的压缩变形增大，其承载力也降低。

4 结论和建议

（1）在土体和桩不变的情况下，在桩顶逐级施加荷载，在荷载增量相同时桩顶的沉降呈线性的趋势逐渐增大，最后出现大幅度的增大，达到桩身的承载力值。

（2）土体压缩模量对控制桩顶沉降有很大的影响。因此，实际工程中采用合理的地基处理方式，对提高地基承载力及减小沉降有明显作用。

（3）桩长增加可以提高桩的承载力，若桩的长度过长，不能充分发挥土体的承载能力。因此，合理协调桩长的关系，对提高承载力和控制沉降，有重要的工程意义。

参考文献：

[1] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民大学出版社，2007.

[2]何本国.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2011.