桩土接触面薄层单元数值模拟

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 桩土接触面薄层单元数值模拟 摘要：桩土接触面是桩土相互作 用的关键。利用 ABAQUS 有限元分析 软件，在桩土间增加一定厚度的薄层单 元来模拟桩土界面处的剪切错动带。薄 层单元力学参数介于桩土之间，单元近 桩一侧与桩体的接触本构关系采用库仑 摩擦定律，近土一侧与土体相应节点耦 合。选择不同厚度与长度的薄层单元， 对比分析薄层单元厚度与长度对桩侧摩 阻力的影响。研究表明，桩侧摩阻力在 不同桩顶荷载作用下，薄层单元厚度与 宽度对其有不同程度的影响。 中国论文网 /2/view-12908743.htm 关键词：桩基；有限元；薄层单 元 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 Abstract: The pile C soil interface is the key factor in the pile C soil interaction. In this paper, the pile C soil model was simulated based on numerical method using the finite element software of ABAQUS. The thin layer element of the pile C soil interface was used at the different thicknesses to simulate the mechanical features of the interface between the pile and soil. The elements close to the soil were coupled with the element nodes in the soil. The Coulombs law was utilized to reflect the constitutive law of the elements close to the pile In order to reflect the mechanicals and deformation of the interface, different thicknesses and lengths were choose for the thin layer elements to analyze and compare the influence of the thicknesses and lengths to the side resistances of the pile. The result showed that the influence of the thin layer elements to the side -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 resistances of the pile were not the same under different pressure on the top of the pile. Key words: pile; finite element; thin layer element 中图分类号：TU473.1+2 文献标 识码：A 文章编号： 1 引言 桩土接触问题具有一定复杂性和 不确定性。由于接触是一种高度非线性 行为(陈开旭等，2000) 4，这给桩土之 间力的传递的计算带来一定的困难。利 用有限元软件 ABAQUS，通过在桩土 之间设置有厚度薄层单元来模拟剪切错 动带，可以反映桩土接触面力学变化特 点。 目前对接触面研究取得很多成果。 Goodman 等(1968)3提出了无厚度接触 面单，能够较好地反映接触面切向应力 和变形；Cloug 和 Duncan(1971)1提出 了接触面处剪应力 和相对错动位移 ws 之间的双曲线本构关系；Desai 等(1984) -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 2提出了薄层四边形单元，既可以反映 接触面切向应力和变形，又可以模拟法 向应力和变形，与实际接触情况更接近； 殷宗泽等(1994)6通过对直剪试验研究， 否定了 Clough 和 Duncan(1971)1提出 的接触面处剪应力 ws 双曲线本构关 系，认为土体与结构之间的变形是刚 塑性变形；张冬霁等(1998) 7在单剪试 验的基础上提出了剪切错动带单元，给 出了确定薄层单元参数的方法。栾茂田 等(2004) 5提出了非线性C 弹性理想 塑性模型，并用之模拟接触面变形和破 坏机理。 采用有厚度薄层单元模拟桩土接 触面时，单元厚度与长度的选择具有一 定的不确定性。对于单元厚度并没有一 个确切的计算公式(殷宗泽等，1994)6。 因此本文拟在桩土之间设置不同厚度的 薄层单元，模拟桩土接触面力学特性， 针对薄层单元厚度与长度对桩侧摩阻力 的影响进行分析，研究薄层单元厚度与 长度与桩侧摩阻力之间的关系。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 2 有限元分析过程 2.1 几何模型 为减小计算量，且考虑对称性， 取 1/4 桩土模型进行模拟。桩径为 450 450 mm，桩长为 12m。土体宽度取 30 倍桩径，土深度取 2.5 倍桩长。土的 本构关系采用莫尔库伦强度理论，每 一层土假定为各向同性均质体。粉质黏 土侧压力系数 K0 可以根据经验公式 K0 = 0.95sin确定，其中 为有效内摩 擦角(张孟喜，2007)8。桩体采用线弹 性模型，指定其弹性模量、泊松比和重 度。三维有限元分析模型见图 1。 2.2 接触面相互作用力学模型 库伦摩擦模型中假定当接触面剪 应力较小时，桩土之间尚未发生错动， 剪应力随着正应力的增加而线性增加； 当剪应力超过某一值时，接触面开始出 现错动。库伦摩擦模式见图 2。在本次 模拟时，接触单元近桩一侧与桩体之间 按照库伦摩擦理论设置。单元近土一侧 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 与土体相应接电耦合。为了防止接触压 力过大可能导致剪应力也较大，指定一 个最大剪应力值 max。摩擦系数 根 据经验公式 = tan0.75取值。 2.3 单元厚度与长度的选择 Desai 等(1984)2 提出的薄层单 元厚度 t 与薄层单元的长度 B 的比值应 满足: t / B = 0.01 0.1。殷宗泽等(1994) 13认为薄层单元厚度选择时应考虑薄 层单元的长度以及整个结构的接触面长 度。张冬霁等(1998)14提出剪切错动 带厚度 h 可以作为薄层单元厚度。本次 研究时，兼顾到以上理论，分别设置不 同厚度和长度的薄层单元，薄层单元厚 度长度见表 1。 2.4 接触单元力学参数的确定 设置薄层单元就是为了在力学性 质相差较大的桩土之间起到一定过渡作 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 用，所以桩土接触单元的力学参数应参 考土体和桩体的力学参数进行设置。接 触单元的力学参数介于桩土之间，接触 单元力学参数见表 2。 3 模拟结果分析 薄层单元厚度为 0.04m 时，不同 桩顶荷载作用下桩侧摩阻力沿桩身分布 情况见图 3。由图 3 可以看出，桩侧摩 阻力沿桩体呈线性变化。最大桩侧摩阻 力发生在桩体入土深度 912m 处。当 桩顶荷载为 1680kN 时，桩侧摩阻力最 大桩侧摩阻力为 80kPa。当桩顶荷载超 过 2240kN 时，桩侧摩阻力基本不再随 桩顶荷载的增加而增加，当桩顶荷载为 5600kN 时，最大桩侧摩阻力反而比上 级荷载有所减小，且最大摩阻力发生位 置为距桩顶 9m 处左右。说明桩土接触 面已经发生一定的破坏。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 桩顶荷载为 2800kN 时，设置不 同厚度薄层单元所得桩侧摩阻力分布情 况见图 4。由图 4 可以看出，在桩身 8m 以上，桩侧摩阻力不随薄层单元厚度的 变化而变化。在桩体入土深度 8m-12m 处，当单元厚度小于 0.1m 时，最大桩 侧摩阻力随单元厚度的增加而增加；当 单元厚度大于 0.1m 时，最大桩侧摩阻 力基本不受薄层单元厚度的影响。由于 随着薄层单元厚度的增加，薄层单元长 度也相应增加，这也使得最大摩阻力发 生的位置有上升的趋势。 不同桩顶荷载作用下，且设 置不同厚度的薄层单元，利用本文方法 模拟得到的桩侧摩阻力最大值见表 3。 对表中数据分析表明，当桩顶荷载为小 于 2800kN 时，薄层单元厚度对桩侧摩 阻力模拟结果影响较小。其中桩顶荷载 为 1280kN 时，在设置不同薄层单元厚 度的情况下，最大摩阻力值最多相差 0.17kPa；桩顶荷载超过 2800kN 时，单 元厚度对最大桩侧摩阻力具有较明显的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 影响。其中桩顶荷载为 3360kN 时，最 大摩阻力值最多相差 12.23kPa。说明在 选择薄层单元厚度时应考虑桩顶荷载的 影响。 4 结语 4.1 薄层单元厚度与长度的选择 对桩土之间荷载传递具有一定的影响。 在一定桩顶荷载作用下，薄层单元厚度 小于 0.1m 时，桩侧摩阻力摩阻力随单 元厚度的增加有所变化；薄层单元厚度 大于 0.1m 时，薄层单元厚度对桩侧摩 阻力几乎不产生影响。 4.2 当桩顶荷载小于 2800kN 时， 设置不同厚度的薄层单元对桩侧摩阻力 的模拟结果影响不大；桩顶荷载超过 2800kN 时，薄层单元厚度对桩侧摩阻 力的模拟结果影响较大。在选择薄层单 元厚度时不仅要考虑到单元长度、桩体 长度，而且应考虑桩顶荷载的影响。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 考 考 文献 Clough GW, Duncan JM. 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