用MIDAS模拟桩土相互作用

1、用MIDAS模拟桩-土相互作用“m法确定土弹簧刚度北京迈达斯技术2021年05月1、引言6070年代,美国学者J.penzien等在解决泥沼地上大桥动力分析时提出了集中质量法,目前已在国内外得到了广泛的应用.集中质量法将桥梁上部结构多质点体系和桩一土体系的质量联合作为一个整体,来建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解.该模型假定桩侧士是Winkler连续介质.以半空间的Mindlin静力根本解为根底,将桩-土体系的质量按一定的厚度简化并集中为一系列质点,离散成一理想化的参数系统.并用弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质,形成一个包括地下局部的多质点体系.士弹簧刚度确实定,除考虑使用较为精确的有限

2、元或边界元方法外,较为简便的方法是采用Penzien模型中提供的土弹簧计算方法或参照现行标准中土弹簧的计算方法.我国公路桥涵地基与根底设计标准JTGD63-2007用的"m法计算方法和参数选取方面比Penzien的方法要简单和方便,且为国内广阔工程师所熟.“m法的根本原理是将桩作为弹性地基梁,按Winkler假定梁身任一点的土抗力和该点的位移成正比求解.但是,由于桩-土相2互作用的实验数据缺乏,土的物性取值有时亦缺乏合理性,在确定土弹簧的刚度时,仍有不少问题未能很好解决.特别是,“m法中m的取值对弹簧刚度的计算结果影响很大,且不能反映地震波的频率特性和强度带来的影响.本次介绍的土弹簧

3、的模拟是采用标准中的“m法确定土的地基系数Cm的取值根据土的物性而定,再由其算出土弹簧的水平刚度.2、采用“m法,确定土弹簧刚度桩在横轴向荷载作用下桩身的内力和位移计算,国内外学者提出了许多方法.目前较为普遍的是桩侧土采用文克尔假定,通过求解挠曲微分方程,再结合力的平衡条件,求出桩各部位的内力和位移,该方法称为弹性地基梁法.以文克尔假定为根底的弹性地基梁法从土力学观点看是不够严密的,但其根本概念明确,方法简单,所得结果一般较平安,在国内外工程界得到广泛应用.我国公路、铁路在桩根底的设计中常用的“m法、就属此种方法,本文将主要根据“m法来确定土弹簧刚度.2.1 地基系数的概念及确定方法(1)概念

4、地基系数C表示单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所需施加的力,单位为kN/m3或MN/m3.(2)确定方法地基系数大小与地基土的类别、物理力学性质有关.地基系数C值是通过对试桩在不同类别土质及不同深度进行实测Xz及仃zx后反算得到.大量的试验说明,地基系数C值不仅与土的类别及其性质有关,而且也随着深度而变化.由于实测的客观条件和分析方法不尽相同等原因,所采用的C值随深度的分布规律也各有不同.常采用的地基系数分布规律有图下所示的几种形式,因此也就产生了与之相应的基桩内力和位移的计算方法.34b)c)d)图1地基系数变化规律现将桩的几种有代表性的弹性地基梁计算方法概括在表下中.桩的几种典型的弹性

5、地基梁法表4-1计算方法图号地基系数随深度分布地基系数C表达式说明m法4-1a)与深度成正比C=mZm为地基土比例系数K法4-1b)桩身第一挠曲零点以上抛物C=KK为常数线变化,以下不随深度变化C值法4-1c)与深度呈抛物线变化C-,0.5C=cZc为地基土比例系数张有龄法4-1d)沿深度均匀分布C=K0K0为常数上述的四种方法各自假定的地基系数随深度分布规律不同,其计算结果是有差异的.实验资料分析说明,宜根据土质特性来选择恰当的计算方法.2.2 桩的计算宽度1 .定义计算桩的内力与位移时不直接采用桩的设计宽度(直径),而是换算成实际工作条件下相当于矩形截面桩的宽度bi,bi称为桩的计算宽度.

6、2 .采用计算宽度的原因为了将空间受力简化为平面受力,并综合考虑桩的截面形状及多排桩桩间的相互遮蔽作用.3 .计算方法4桩的计算宽度bi请根据现行桥涵地基与根底设计标准(JTGD63-2007)P83P84页要求确定.以上的计算方法比拟复杂,理论和实践的根据也是不够的,因此国内有些规范建议简化计算.圆形桩：当d01m时,bi=0.9(1.5d+0.5);当d>1m时,bi=0.9(d+1)0方形桩：当边宽b01m时,b1=1.5b+0.5;当边宽>1m时,b1=b+1.而国外有些标准更为简单：柱桩及桩身尺寸直径0.8m以下的灌注桩,b1=d+1(m)；其余类型及截面尺寸的桩,b1=

7、1.5d+0.5(m)02.3 刚性桩与弹性桩为计算方便起见,根据桩与土的相对刚度,将桩分为刚性桩和弹性桩.1 .弹性桩当桩的入土深度h>时,这时桩的相对刚度小,必须考虑桩的实际刚度,ot按弹性桩来计算.其中口称为桩的变形系数,a=5J幽1EI2 .刚性桩当桩的入土深度h0竺时,那么桩的相对刚度较大,计算时认为属刚性桩,a2.43土的地基比例系数“m地基土水平抗力系数的比例系数m值宜通过桩的水平静载试验确定.但由于试验费用、时间等原因,某些建筑物不一定进行桩的水平静载试验,可采用标准提供的经验值如下表所示.表P.O.露I非岩石类土的洲值和mi值士的名称m和(kN/m4)士的名耕m和rni

8、-Q(IcN/m4)流期性黏土,L】.0.就塑君性士t.U/九VM+裁海3000-5000坚吃,半整硬钻性土L0.相砂,密实粉土一20000-30WO可塑黏性上0、4粉砂,稍密粉上5000-10(XX)砾砂,角砾,剧砾,碎石,卵石30000-80000硬鳖拈性上0,25去几.小班眇,中5砂中密粉土10WO-MOOT密实卵石夹粗砂,密实潦.卵石80000-120000注.本表用于根底在地面处位移最大值不应超过6mm的情况.当位移较大时.应适当降低二当基朗1那么而设寸斜坡或台防,且其坡度t横:强或台阶总览与深度之比大F1L20时,衰中m慎应减小30强取用.在应用上表时应注意以下事项图4-5比例系数

9、m的换算1 .由于桩的水平荷载与位移关系是非线性的,即m值随荷载与位移增大而有所减小,因此,m值确实定要与桩的实际荷载相适应.一般结构在地面处最大位移不超过10mm,对位移敏感的结构、桥梁工程为6mm.位移较大时,应适当降低表列m值.2 .当基桩侧面由几种土层组成时,从地面或局部冲刷线起,应求得主要影响深度hm=2(d+1)米范围内的平均m值作为整个深度内的m值(见图4-5),对于刚性桩,hm采用整个深度h0=的情况,取h.h当根底侧面地面或局部冲刷线以下深度内有两层土时,应将两层土的比例系数按式(P.0.2-3换算成一个m值,作为整个深度的m值.m=ymi+(1-y)(P.0.2-3)5出/

10、人/也/hng0.2X=11-1.25(1-h1/hj2h/hm>0.2当hm(hm>2.5m时)深度内存在两层不同土时：mNm2(2%h2)h26m=二(4-5)hm当hm深度内存在三层不同土时：.2.、.一.一.、.m_hi-m2(2h-h2)h2+m3(2hi+2h2+hph3(46)m一hm4-3.承台侧面地基土水平抗力系数CnCn=m-hn(4-7)式中：m承台埋深范围内地基土的水平抗力系数,MN/m4;hn承台埋深,mo4,地基土竖向抗力系数Co、Cb和地基土竖向抗力系数的比例系数mo(1)桩底面地基土竖向抗力系数CoCo=moh(4-8)式中：mo桩底面地基土竖向抗力

11、系数的比例系数,kN/m4,近似取mo=m；h桩的入土深度(m),当h小于10m时,按10m计算.(2)承台底地基土竖向抗力系数CbCb=m0hn(4-9)式中：hn承台埋深(m),当hn小于1m时,按1m计算.岩石地基竖向抗力系数C0表3-17单轴极限抗压强度标准值Rc(MPa)C0(MN/m3)1>2530015000注：当Rc为表列数值的中间值时,Co采用插入法确定.3、单桩计算1)采用正方形桩宽为1m的,桩长为15c桩顶假设与地面齐平.根据标准,各种参数计算如下表.地基土的比例系数m(N/m4)根底宽度b(m»形状换算系数空间工作系数k0=1+1/b根底的计算宽度b1根

12、底弹模E(N/m2)2000000011223E+10根底抗弯I(m4)EI(KNm2)土中根底变形系数a(1/m),a=(mb1)/(EI)A.2根底入土深度hah<2.5时根据刚性根底计算,否那么弹性根底0.0833333333E+060.437156.5601722)采用正方形桩宽为1.5m的,桩长为15m桩顶假设与地面齐平.根据标准,各种参数计算如下表.地基土的比例系数m(N/m4)根底宽度b(m)形状换算系数kG空间工作系数k0=1+1/b根底的计算宽度b1根底弹模E(N/m2)200000001.511.66672.53E+10根底抗弯Im4EI(KNm2)土中根底变形系数a(1/m),a=(mb1)/(EI)F.2根底入土深度hnDah<2.5时根据刚性根底计算,否那么弹性根底0.4218751E+070.331154.9593443在上述参数条件下,桩基土弹簧刚度计算见表“M值法计算地基弹性刚度.根据表中数据在civil中建立桩基模型,进行计算,所得结果与桥博比拟,得出以下表格.单桩,桩顶在地面,桩顶受到100KN水平力