桩土作用对桩基水平承载力影响的非线性有限元分析

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1、江苏科技大学硕士学位论文桩土作用对桩基水平承载力影响的非线性有限元分析姓名：刘安来申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：汪宏20080101摘要摘要桩基作为工程建设中的主要基础型式之一，无论是在建筑工程中，还是在港口工 程中，其往往以群桩的形式出现。当前随着开敞式码头、跨海大桥、海洋石油平台的 建设，在港口及海洋桩基工程领域中，桩基的水平承载力作用起到了至关重要的作用， 故而对水平受荷群桩基础的特性分析与研究是十分必要的。由于水平静载试验受工期、 费用、试验设备及试验条件的限制，很难对水平受荷群桩基础特性做一

2、个深入的分析。本文应用国际上通用的大型有限元软件ANSYS建立多种工况下的有限元模型，对水平受荷群桩基础的承载特性做了较为深入的分析与研究，并提出了一些有益的结论与建议，以便更好指导以后的工程实践。本文首先回顾和总结了目前对水平受荷群桩基础特性分析的研究现状、有限元的基本理论并对有限元软件ANSYS简略介绍。其次考虑土体的复杂性状和桩土相互作用对水平受荷群桩基础特性的影响，选择合适的土体本构关系模型和接触非线性单元来模拟桩土之间的力学行为；最后通过调整桩的入土深度L，土体模型边界尺寸以及划分网格的大小，并引入桩土

3、接触摩擦单元，建立合理的数值分析模型。通过对多种工况水平受荷群桩基础的数值模型进行运算，并对相关数据进行整理，得到桩的入土深度L、桩径D、土体弹性模量E、桩间距S、桩数D等因素对水 平受荷群桩基础特性的影响，重点是对位移群桩效应的影响。本文认为桩距S和桩数 N对位移群桩效应的影响比较显著，而桩的入土深度L、桩径D、土体弹性模量E等因素则对群桩效应影响不大。综合考虑几个影响因素，提出了水平受荷群桩基础位移计算公式u(N,S,L,D,E)，并通过和有限元结果对比验证后，证明本公式的计算精度比较良好。关键词：水平受荷群

4、桩；桩土相互作用；接触面；群桩效应；位移I摘要桩基作为工程建设中的主要基础型式之一，无论是在建筑工程中，还是在港口工程中，其往往以群桩的形式出现。当前随着开敞式码头、跨海大桥、海洋石油平台的建设，在港口及海洋桩基工程领域中，桩基的水平承载力作用起到了至关重要的作用，故而对水平受荷群桩基础的特性分析与研究是十分必要的。由于水平静载试验受工期、费用、试验设备及试验条件的限制，很难对水平受荷群桩基础特性做一个深入的分析。本文应用国际上通用的大型有限元软件ANSYS建立多种工况下的有限元模型，对水平受荷群桩基础的承载特性

5、做了较为深入的分析与研究，并提出了一些有益的结论与建议，以便更好指导以后的工程实践。本文首先回顾和总结了目前对水平受荷群桩基础特性分析的研究现状、有限元的基本理论并对有限元软件ANSYS简略介绍。其次考虑土体的复杂性状和桩土相互作用对水平受荷群桩基础特性的影响，选择合适的土体本构关系模型和接触非线性单元来模拟桩土之间的力学行为；最后通过调整桩的入土深度L，土体模型边界尺寸以及划分网格的大小，并引入桩土接触摩擦单元，建立合理的数值分析模型。通过对多种工况水平受荷群桩基础的数值模型进行运算，并对相关数据进行整理，得到

6、桩的入土深度L、桩径D、土体弹性模量Es、桩间距S、桩数D等因素对水平受荷群桩基础特性的影响，重点是对位移群桩效应的影响。本文认为在桩的入土深度L、桩径D、土体弹性模量E、桩间距S、桩数N等因素中，桩距S和桩数N对水平受荷S群桩基础位移的影响比较显著，而桩的入土深度L、桩径D、土体弹性模量E等因素S则对位移的影响不大。在受荷方向上，8倍桩径的桩距是群桩效应的临界桩距，当桩距S大于该临界值时，基本无群桩效应，且当桩数大于4时，桩距S的影响不大；而在非受荷方向，桩距大于（2～3）倍桩径时，可不考虑群桩效应。桩的入土深

7、度L是影响水平受荷群桩基础可靠性和经济性的重要参数。三维有限元分析研究发现，不论是单桩还是群桩均存在着一个临界桩的入土深度L，当桩的入土深度L超过该临界值时，即使增加桩的入土深度L，桩的承载特性改变甚微，而且水平受荷群桩基础的临界长度大于相应的单桩的临界长度值，28倍桩径的桩的入土深度L是群桩的临界桩的入土深度，设计时应选取临界桩的入土深度L作为设计桩的入土深度L的上限值。对一定荷载作用下的水平受荷群桩位移u的影响除了大家所熟知的桩径D、桩的入土深度L、桩间距S，桩数N外，还有土的弹性模量E。间距S、桩数N对一定

8、荷载作用下的水平受荷群桩位移u的影响较大，但桩径D、桩的入土深度L、以及土体I弹性模量E的影响不容忽视，因而根据计算所得出的结果数据综合考虑几个影响因素，对有限元计算所得的数据结果进行分析整理，并通过相关数据处理分析软件对已有数据进行拟合分析，本文提出了一定荷载作用下的水平受荷群桩位移u的计算公式：u=.1ED+3.56KLE+7.31KSNL)N/(173K22同时考虑