桩土接触数值模拟试验_甘立刚

接触摩擦力 ;
FKN, SLIDE, Mu, PREபைடு நூலகம்———接触单元的接触刚度 、
接触位移 、摩擦系数和
法向接触力 。
由式 (3)～ (5)可知 , 接触界面的 2个重要的力 学参数 ———摩擦系数 Mu和 法向刚度 FKN控制了 接触的力学行为 , 因此 , 这 2个参数的正确取值 , 是 决定对接触模拟是否合理的关键 。作为非线性的接 触问题 , FKN取值无成熟经验可循 , 只能采用试算
桩端下沉量达到一定值时 , 桩端受力达到极限状态 , 此时 , 桩才达到极限承载力 。对于端承桩 , 由于桩周
土较为软弱 , 桩周摩擦阻力几乎在加载一开始即达
到极限状态 。在深度为 z处的桩侧摩阻力 、桩身位
移和轴向力间有比较明确的关系 : Q(z)=EAdSd(zz)
q(z)=-EUAd2 S dz(2 z)
等人根据试验指出 , 发挥极限侧阻力所需桩土相对 位移与桩 径大小无关 , 略受土类 、土性影响 [ 6] 。 当
桩周土体距桩身超过一定距离后 , 桩对该处土的作 用已相当 小 , 实际工 程中可忽 略不计 [ 2] ;Masam和
Fukuoka根据日本某地桩径 2 m、桩长 40 m的灌注 桩的实测指出 , 桩土相对位移约达桩径的 10%[ 7] 。
采用 ANSYS10.0 版本 计算 , ANSYS有 限元分 析结果的精度取决于模型网格尺寸 , 所以 , 模型的建 立需要花费更多的时间 。本模型共有 37611个单元 (其中接触单元 4038 个 ), 148440 个节点 。 桩土体 系有限元模型如图 1所示 。
Abstract:Thedeformationofsoilwillbecausedbydeadweightstepinsimulatingthepile-soilcooperationbynumericalsimulation method, whilethedeformationofsoilbythegravityeffecthasalreadybeenfinishedintheactualproject, sothereisdifference.Inthis paper, thecontactelementisusedtosimulatethepile-soilcooperation, and3D finiteelementmethodisalsousedbysubtractingthe distortionofthesoilforthedeadweightbyloadstepinANSYS.Comparedwiththemeterageresults, thenumericalsimulationresults
showthat, itisfeasibletousetheloadstepofANSYSforconsideringtheinitialstressofthesoil.Inthispaper, itisindicatedthatthe archingeffectexistedinthesoilnearthepile-endreducethehorizontalsoilpressonthepilelateralandthepilelateralfriction resistancemarkedlybyanalyzingthedistributionofmutualextrusionforceandpilelateralfrictionresistanceunderdifferentloadsteps. Keywords:contact;loadstep;initialstress;pilelateralfrictionresistance;themechanism ofpile-soilcooperation
(1) (2)
式中 q(z), Q(z), S(z)———桩侧摩阻力 、桩轴向力
和桩身位移 ; U, A, E, z———桩的 周长 、截面 面积 、
弹性模量 和桩身 入土
深度 。 由上式可以看出 , 竖向荷载作用下 , 桩顶的位移
反应取决于桩侧摩阻 力分布和桩端竖 向沉降 。 因
此 , 正确模拟桩土之间的接触关系 , 是保证桩土共同
第
35卷 第 2期 2009年 4月
四川建筑科学研究 SichuanBuildingScience
桩土接触数值模拟试验
1 3 1
甘立刚 1 , 李碧雄 1, 吴 体2 , 周 薇 1
(1.四川 大学建筑与环境学院 , 四川 成都 610065; 2.四川 省建筑科学研究院 , 四川 成都 610081)
弹性模量 /Pa
3.56 ×106 4.38 ×106 3.86 ×106
泊松比 0.15 0.30 0.20
c、内摩擦角 φ和膨胀角 , 土体单元采用 Solid45单
元 ;桩身采用线弹性材料 , 桩体单元也采用 Solid45
单元 ;桩 —土 接触面 采用面 与面 接触的 Targe170,
Conta173单元来模拟 , 该单元的特点是能进行大变 形计算 , 如较大的张开 、滑移等 [ 5] 。 Whitake, Reese
面的粗糙程度有关 。 一般混凝土桩 , 对粘性土的摩
擦系数为 0.25 ～ 0.4 ;对砂土的摩擦系数为 0.5 ～ 1.0[ 8] 。 本模型选用摩擦系数为 :粘土为 0.312、粉
土为 0.503、细砂为 0.821。 桩土参数取值见表 1, 2。
表 1 桩参 数 [ 1]
Table1 Parametersofpile
收稿日期 :2008-07-17 作者简介 :甘立刚 (1983 -), 男 , 四川广安人 , 硕士 , 主要从事混 凝土 结构研究 。 E-mail:ganligang@163.com
压力 , 但在计算沉降时没有考虑由于土体自重施加 引起的压缩变形 。 纪淑鹏 [ 3] 建立了轴向受 荷单桩 有限元数值计算模型 , 利用广义 VonMises准则模 拟土体的弹塑性 , 通过施加自重荷载进行 “固结 ”计 算 , 获得土体固结应力状态 , 然后 , 以此应力为初始 应力进行后续计 算 。 齐良锋 [ 4] 在桩与桩侧 土界面 引入接触单元模型 , 并采用参变量变分原理及基于 此原理的参变量二次规划法 , 对接触单元刚度矩阵 进行了推导 。
摘 要 :用数值分析方法模拟桩土共同作用时自重荷载 步的施 加将使 土体产 生变形 , 而实 际工程 中 , 土体自重 作用产 生的变 形早已完成 , 故两者之间存在一定差异 。 通过设置接触单元来模拟桩土之间的共同 作用 , 并利用 ANSYS中的荷载步来实现扣 除土体自重应力引起 的变形 , 对桩土进行 3D有限元模拟 。 数值分析结 果与现场 实测值的 比较表 明 , 在桩土接 触模拟 中通过 荷载步的方法考虑土 体自重应力是可行的 。 还通过分析不 同荷载 步作用 下桩土 之间的相 互挤压 力分布 和桩侧 摩阻力 分布 , 指出了桩端附近桩侧 土体存在的 “拱效应 ”显著减小了 该处作用于桩侧的水平土压力和桩侧摩阻力 。 关键词 :接触 ;荷载步 ;初始应力 ;桩侧摩 阻力 ;桩土共同作用机理 中图分类号 :TU441 文献标识码 :A 文章编号 :1008 -1933(2009)02 -131 -04
作用接近实际情况的前提 。
桩土接触变形问题属于边界条件非线性问题 。
在本文建立的有限元模型中 , 桩周土体采用了
Drucker-Prager(DP)材料 , 其材料特性包括粘聚力
表 2 土参数 [ 1] Table2 Parametersofsoil
层号 1 2 3
土层名称 粘土 粉土
细砂 、中砂
厚度 /m 2.5 3.2 1.3
0 前 言
现代工程建设中 , 桩基础的应用非常普遍 。桩 顶荷载 —沉降关 系以及桩 —土 间作用力 的传递机 理 , 一直是工程技术人员所关心的重要问题 。 多年 来 , 研究人员对桩土之间的接触问题用数值分析方 法开展了大量的研究工作 。 王先军等 [ 1] 建立了一 个桩土接触面体系的有限元模型 , 对其计算理论进 行分析 , 同时 , 结合某大直径钻孔灌注桩工程实例 , 分析了桩土模型的荷载 —沉降曲线及荷载的传递规 律 。陈海[ 2] 通过 ANSYS有限元模型 , 计算了软土 地基中摩擦桩在竖向荷载作用下的沉降情况 。 该模 型土层定义为弹性 , 以有限元中面面接触对模拟桩 土接触问题 , 通过施加温度荷载模拟土层对桩的侧
桩长 /m
8
桩径 /m 0.3
混凝土弹性模量 /Pa
2.9 ×1010
密度 /(kg· m-3 )
泊松比
2500
0.617
粘聚力 /Pa
3.20 ×104 1.20 ×104 8.00 ×104
内摩擦角 /(°) 14 13 15
膨胀角 /(°) 0 0 0
密度 /(kg· m-3) 1750 1900 2600
Numericalsimulationofthepile-soilinterface
GANLigang1 , LIBixiong1 , WUTi2 , ZHOUWei1
(1.CollegeofArchitectureandEnvironment, SichuanUniversity, Chengdu 610065, China; 2.SichuanInstituteofBuildingResearch, Chengdu 610081, China)
2009 No.2
甘立刚 , 等 :桩土接触数值模拟试验
1 33
同作用下的计算 。对于实际的工程 , 桩施工之前 , 绝 大部分土体已经完成固结 , 而在数值模拟时 , 施加自 重应力会引起土体的压缩变形 。 因此 , 本文在确定 各级外荷载作用下的桩土变形时 , 在后处理中均减 去了第 1个荷载步产生的变形 。 1.4 几何模型的建立和网格划分
13 2
四川建筑科学研究
第 35卷
受力变形情况 , 探讨桩土之间相互作用的机理 。
1 桩土体系数值模型的建立
对于一般摩擦桩而言 , 随着轴向荷载 Q增大 ,
桩身相对于桩周土发生的位移随之增加 , 桩侧摩擦 阻力的作用逐渐发挥出来 。当桩身位移达到一定值
时 , 摩擦阻力达到极限值 , 桩端反力将迅速增大 ;当
1.2 接触算法
通过 KEYOP(12)中选项设置 , 选择罚函数法作
为接触面的算法 。罚函数法是通过接触刚度在接触
力与接触面间的穿透值 (接触位移 )间建立力与位
移的线性关系 :
FKN×SLIDE=PRES CP=CT×FKN
(3) (4)
SFRIC=CP×Mu
(5)
式中 CP, CT, SFRIC———接触压力 、接触渗透和
本文所取的计算范围为距桩 侧 6 倍桩径以 外的土
体 。 为了验证模型的可靠性 , 模型所采用的各项参
数与文献 [ 1]相同 , 采用的桩径为 0.3 m, 模拟土体
的范围为桩外侧 1.8 m。
1.1 桩土各种参数选取
桩土间的摩擦系数与土的特性密切相关 , 其大
小随着土强度的增大而增大 ;摩擦系数还与桩侧表
虽然利用数值分析方法研究桩土共同作用已取 得了大量有价值的成果 , 但是 , 由于数值模拟时自重 的施加在土体中会产生压缩变形 , 而实际的工程现 场土体固结大都已经完成 , 以往的研究基本没有考 虑这一区别 。 本文利用大型通用软件 ANSYS结合 某实际工程对桩土之间的接触问题进行分析 , 通过 荷载步来扣除土体自重施加引起的压缩变形 , 再现 桩顶受载荷时桩顶沉降情 况和桩土的受力 变形情 况 , 基于桩土之间的相互作用情况以及桩周土体的
的方法确定 。 考虑到 FKN越小 , 计算越容易收敛 , 先用一个比较 小的 FKN开始 计算 , 收敛后再 改大
些 , 由于接触刚度 FKN越大 , 则穿透越小 、结果越合 理 , 因此 , 把 FKN改大些重新计算 , 直到有一个满意 的结果[ 5] 。 1.3 初始地应力的模拟
计算过程分 7个荷载步 :第 1步为土体在自重 作用下的计算 , 第 2到 7步为各级外荷载和重力共