等截面抗拔單樁樁土相互作用數(shù)值模擬

1、等截面抗拔單樁樁土相互作用數(shù)值模擬與分析摘要：有限元法作為一種近似的數(shù)值模擬計(jì) 算方法在固體力學(xué)分析上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其在樁土相互作用、特別 是抗壓樁的應(yīng)力分析上應(yīng)用廣泛，但是在對抗拔樁研究的應(yīng)用上則相 對較少。本文在多年來前人研究成果的基礎(chǔ)上討論抗拔樁樁土相互作 用的有限元實(shí)現(xiàn)形式，包括樁土模型的確定、接觸方式的選取、本構(gòu) 關(guān)系的確定、初始應(yīng)力的確定等。通過理論分析與數(shù)值計(jì)算定量的闡 述了樁長、樁徑、樁身模量、土的模量等因素對抗拔樁承載力和樁頂 位移的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的總結(jié)，提出了有針對性的工 程建議，從而為樁基工程的實(shí)踐提供有益的參考。關(guān)鍵詞：有限元法；抗拔樁；樁土模擬；d-p

2、模型；接觸分析 abstract: as a kind of approximate finite element method of the numerical simulation calculation method in the solid mechanics analysis on have a unique advantage, the pile soil interaction, especially the compressive stress analysis of the pile was widely used in, but in the fight against a

3、pplication of tension piles is relatively small. in this paper the years previous research results based on the discussion of pull of the interaction of the soil pile finite element realization forms, including pile soil model determination, contact the selection, the way the constitutive relation o

4、f the determination, to determine the initial stress. through theoretical analysis and numerical calculation of quantitative expounds the pile length, pile diameter and pile body modulus, soil modulus against pull factors such as pile bearing capacity and the influence of pile top displacement, and

5、based on the summary of the corresponding, corresponding engineering suggestions, so for pile foundation engineering practice of provide the beneficial reference.keywords: finite element method; tension piles resistance; pile soil simulation; d-p model; contact analysis 概述有限元法1 最初是20世紀(jì)50年代作為處理固體力學(xué)問題

6、的方法出 現(xiàn)的。其實(shí)質(zhì)上是一種在力學(xué)模型上進(jìn)行近似的數(shù)值計(jì)算方法。在工程應(yīng)用上，有限元法廣泛用于樁土相互作用2，并為樁基工程 的設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)。由于可以兼顧復(fù)雜的邊界條件及土體本構(gòu)關(guān)系34，其經(jīng)常用于抗壓樁的研究，但用于抗拔樁的比較少。抗拔樁 樁土相互作用雖與抗壓樁有相同之處，但在承載機(jī)理上也存在較大的 差別。本文討論抗拔樁樁土相互作用的有限元實(shí)現(xiàn)形式，包括樁土模 型的確定、接觸方式的選取、本構(gòu)關(guān)系的確定、初始應(yīng)力的確定等5。土的本構(gòu)關(guān)系研究抗拔樁的受力和變形特性，首先要了解土的本構(gòu)模型，描述土 體變形的模型基本有三大類：線彈性模型、非線性彈性模型和彈塑性 模型。彈塑性模型在巖土工程計(jì)算中應(yīng)

7、用廣泛，提出的模型也較多， 參數(shù)容易確定，能反映土體的剪脹效應(yīng)。因此本文利用該模型進(jìn)行有 限元分析。接觸分析樁土接觸一般是在樁土之間專門設(shè)置接觸單元。接觸單元比較有代 表性的有g(shù)oodman單元7。這種無厚度四結(jié)點(diǎn)單元，概念清楚，能 模擬接觸面的滑移與張裂。本文在進(jìn)行軸對稱平面應(yīng)變分析時(shí)采用無 厚度的面面接觸單元。圖4-1為面面接觸單元的接觸示意圖。其中剛體（樁體）為目標(biāo)面， 柔體（土體）為接觸面。圖4-1面面接觸單元接觸示意圖樁土滑動(dòng)摩擦系數(shù)p的選取對分析結(jié)果有重要影響，理論上估算p=tg 為土體有效內(nèi)摩擦角）。文獻(xiàn)8、9介紹了幾種土與混凝 土和鋼之間的剪切摩擦試驗(yàn)，結(jié)果如表4-1所示?？芍?/p>

8、樁土之間的摩 擦系數(shù)有較大的離散性，土性對摩擦系數(shù)影響很大。本文模擬粘性土 與混凝土樁的摩擦性能，取摩擦系數(shù)p =0.4表4-1 土與結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù)對樁端的處理本文采用樁端與樁側(cè)一樣的方式。在樁端設(shè)置面面接 觸單元，這種方式在樁端位移不大時(shí)可以精確模擬樁土作用。初始應(yīng)力的確定對于土體中的樁基礎(chǔ)，土中應(yīng)力的存在會對樁側(cè)面產(chǎn)生正應(yīng)力，從 而影響樁側(cè)阻的發(fā)揮。因此，在樁土有限元計(jì)算中，土體的初始應(yīng)力 場的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)關(guān)鍵問題，在計(jì)算時(shí)首先要確定加荷前初始的應(yīng)力狀 態(tài)。為便于有限元計(jì)算，本文利用初始應(yīng)力文件的方法實(shí)現(xiàn)初始應(yīng)力。先使土體在自重應(yīng)力作用下沉降，將計(jì)算的初始應(yīng)力寫入初始應(yīng)力文 件。退出求解器，提

9、取初始應(yīng)力文件讀入初始應(yīng)力，求解。此方法得 出的是真實(shí)的應(yīng)力和位移。等截面抗拔單樁的有限元計(jì)算6.1基本假定與模型的建立本文只考慮豎向上拔受荷的情況，為使分析問題簡化，做如下假定 1011：（1）對于各層土的彈性模量進(jìn)行加權(quán)平均，土層內(nèi)表現(xiàn)為均質(zhì)各項(xiàng) 同性；（2）樁垂直設(shè)于土體內(nèi)，且底面為水平面；（3）樁側(cè)及樁底土體的物理力學(xué)性質(zhì)不隨樁的設(shè)置而改變；（4）樁側(cè)和樁端與土體之間設(shè)置無厚度面面接觸單元；（5）土體計(jì)算范圍水平向?yàn)?倍樁徑，豎向2倍樁長；（6）按樁截面面積相等的原則將圓樁看做方樁。為了計(jì)算分析方便，本文根據(jù)對稱性的特點(diǎn)取模型的1/4進(jìn)行有限 元分析，樁與土體均采用六面體8結(jié)點(diǎn)單元。計(jì)

10、算模型的尺寸如圖 6-1。計(jì)算的邊界條件為：模型上表面（地表面）為自由面，土側(cè)和 土的底部設(shè)為全約束，樁側(cè)向邊界取豎向滑移支座，限制水平方向的 變形，約束條件如圖6-2。計(jì)算模型的有限元網(wǎng)格如圖6-3。圖6-1樁土的1/4剖面圖圖6-2樁土約束條件圖6-3有限元網(wǎng)格劃分圖6.2計(jì)算參數(shù)的選取1.樁的參數(shù)的選取為便于比較，土體及樁身參數(shù)作如下假定：研究范圍內(nèi)的土層和樁 沒有缺失，都是均質(zhì)的；單一的參數(shù)變化時(shí)其它參數(shù)保持不變；樁頂 為均布荷載。出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣 不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也

11、。誠宜開張圣聽，以光 先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其 刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡拔以遺陛下：愚 以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰“能二是以眾議舉寵為督： 愚以為營中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠(yuǎn)小人，此先漢所以興隆也；親小人，遠(yuǎn)賢臣，此后漢所以傾頹也。先帝在時(shí)， 每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、靈也。侍中、尚書、長史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣， 愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也，。臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉 屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于 敗軍之際，奉命于危難之間，爾來二十有一年矣。先帝知臣謹(jǐn)慎，故臨崩寄臣以大事也。受命以來，夙夜憂嘆，恐托付不效，以傷先帝之 明；故五月渡瀘，深入不毛。今南