桩-土-桩相互作用有限元接触分析

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1、桩■土-桩相互作用有限元接触分析张建辉；马超（河北大学建筑工程学院，保定071002）摘要：桩土体作为一个共同工作的系统，广泛存在于土木工程实践中，是典型的接触问题之一，对桩•土■桩相互作用的研究也是工程十分关心的，其中桩身摩阻力的分布更是关键所在。木文基于有限元数值分析方法软件对此进行了深入研究。关键词：有限单元法；接触非线性；桩土相互作用；桩侧摩阻力中图分类号：TU43文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）11-0108-020引言桥土相互作用问题的实质是固体力学中不同介质的接触问题，具体表现为材料非线性、接触非线性等。目前，有

2、限单元法是解决复杂空间结构静、动力问题、弹塑性问题最有效的数值方法之一。木文对桩土相互作用中接触问题进行分析时主要采用接触非线性有限元法，利用ABAQUS有限元软件进行研究。1ABAQUS软件概述ABAQUS是功能强大的有限元法软件[1,2],提供了广泛的功能且使用起来十分简明。对于非线性分析，ABAQUS能自动选择合适的荷载增量和收敛精度,且拥有十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库。2ABAQUS桩土接触分析中需解决的问题2.1单元类型的选择在接触模拟中采用二阶单元会引起接触面上等效节点力的计算出现混淆，因此接触面两侧的单元一般不宜采用二阶单元

3、，只能釆用线性单元。2.2主从接触面的建立可以通过定义接触面（surface）来模拟接触问题，木文所涉及的桩土体之间的接触面主要有两类：①桩侧单元构成的柔性接触面（桩侧土体表面）或刚性接触面（桩表面）；②桩底土体一般采用节点构成的接触面，选取桩底土体节点时，不包含己定义在柔性接触面上的节点。在模拟过程中，接触方向总是主面的法线方向，从面上的节点不会穿越主面,但主面上的节点可以穿越从面。一般遵循以下原则：①应选择刚度较大的面作为主面，对于刚度相似的两个面，应选择网格较粗的面作为主面；②主面不能是由节点构成的面，并且必须是连续的；③如果接触面在发生接触

4、的部位有很大的凹角或尖角，应该将其分别定义为两个面；④如果两个接触面之间的相对滑动小于接触面单元尺寸的20%,选用小滑动，否则选用有限滑动。有限滑动应打开几何非线性开关。2.3接触属性的定义接触表面间的相互作用包括两部分：一是垂直于接触面，另一是沿接触面的切向。①接触面法向性质。当两个面之间的间隙变为零，接触约束就起了作用，当接触压力变为零或负值吋，接触面分离，约束就被撤出。这个行为称为“便”接触。②接触面切向性质。接触面接触时，接触面间要传递切向力，需要考虑阻止面之间相对滑动趋势的摩擦力。库仑摩擦⑶是常用的描述接触面的相互作用的摩擦模型，用摩擦系

5、数来表示接触面之间的摩擦特性。3桩土作用分析中的几个关键问题3.1初始地应力场的计算在大多数岩土工程问题中，土体的初始应力场即为自重应力场，水平应力与竖向应力为［3］：σz二γz(2)σx二σy=k0σ0(3)式中，k0为静止侧压力系数，kO=l-sin?准′或k0=μ/l-μ。初始应力场的设定可通过下列命令进行设定：*initialconditions,type二stress,geostaticSetname,stress］,coordl,stress2,coor

6、d2,k03.2桩土之间接触摩擦系数的确定可根据经验公式估算出桩土界面的摩擦角δ,进而确定桩土间的摩擦系数。研究表明：对于粘性土取δ/?准′=0.6-0.7是比较合适的，下式估算桩土间的摩擦角δ［3］：f=tanδ(5)4工程实例计算分析场地地质条件：确定地基土层性质见文献[26]o利用ABAQUS软件建立三维模型。模型描述：两桩相互作用，受荷桩与非受荷桩桩径均为0.5m,桩长20m,土体和桩体均采用C3D8R单元模拟。边界条件：模型垂直于x、y、z轴的表面在x、y、z轴方向分别位移约束。

7、荷载：受荷桩桩顶施加竖向荷载，大小为桩的工作荷载pa=pu/2o材料的本构模型：桩身为线弹性体，桩周及桩底土为弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb屈服准则，桩土间的剪应力和剪切位移采用罚函数的形式。桩的弹性模量E为2.8×104Mpa,泊松比ν为0.167,重度γ为23KN/m3。4.1双桩中受荷桩与单桩侧摩阻力的对比分析同样的一根桩，在相同的荷载作用下，作为单桩所计算得到的桩侧摩阻力和作为双桩中的受荷桩所计算得到的桩侧摩阻力还是有细微的差别的。图1所示，双桩中的受荷桩侧摩阻力稍大于单桩侧摩阻力，原因是由于非受荷桩

8、的存在对土体有挤密的作用，加强了桩■土的相互作用，但随着双桩距径比的增大，这种影响越来越小，最终趋于--致。4.2双桩中非