大型群桩软土共同作用性状研究

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会大型群桩一软土共同作用性状研究黄昊明(杭州市钱江新城建设管理委员会．杭州M0016)摘要：阻某水闸工程为对象，对大型群桩与软土地基共同作用性状进行了研究。土体的本构模型采用能够较好反映土体非线性特性的Drucker—prager理想弹塑性模型，利用接触单元模拟桩与土体之问相对滑动，选用标准的库仑摩擦模型，并用ANSYs软件进行计算。分析表明：桩披承台内产生最大应力发生在桩端部，且桩沿桩身的应力变化不大：承台项面的应力较小，底面与桩连接处的应力与桂身的应力基奉相同。土体的晟大戍力发生在桩的端部与

2、土体接触处。桩的轴力呈现中间桩最大，角部桩次之，侧边桩最小。通过本文的分析基车掌握r群桩、软土和承台的受力和变形状况。关键词：大型群桩，软土地基，共同作用，性状研究一、引言’某大闸的规模为8×12m，为一座中型水闸，配套开挖河道约830m，江面宽约166m。同时交通部门的杭甬大运河须在此建一个船闸以便船只的通航，其标准为500T级。为了对建在软土地基上的水闸工程有较系统全面的了解，为类似工程的应用奠定理论基础，本文对软土地基水闸结构的分析方法、受力特性和优化方案进行研究。在水闸设计中，对软土地基的处理多采用桩基。但由于桩土作

3、用的复杂性．获得解析解十分困难⋯。本文利用大型有限元ANsYs软件，建立桩土相互作用的三维有限元一接触面单元的非线性数值模型，采用接触单元模拟桩与桩侧土体之间共同作用情况，对竖向荷载作用下的群桩与土的相互作用机理进行分析与探讨，通过对该大闸桩基工程的深入分析研究，得出桩一土一承台共同作用的受力性状。二、群桩一土一承台共同作用的分析原理和方法●群桩的受力变形特性要求考虑桩一土的相互作用，其影响凼素甚多，如土的性质、桩间距、桩长、桩的布置等。要寻找某种方法将这一系列因素部考虑进去是困难的，也正因为如此，目前关于群桩受力变形特性的

4、研究仍是方兴未艾。本文采用三维有隅元分析，利用面一面接触单元考虑十体与桩基交界面的状态非线性，合理模拟桩与桩周土间复杂的相互作用，可对桩基的受力变形特性、群桩与土的相互作用机理进行分析和探讨4“。其中土体的本构模型采用能够较好反映土体非线性特性的Drucker—prager珲想弹塑性模型。模型屈服面F的表达式为：。r，]；F_3Ba。+l；{s)7[M㈧卜n，=o(1)18366fcos西Q=——=。—————=—～’√3(3一sin≯){。。】=；(a。+a：+a。)(3)工业建筑2007蜡刊第七届全国现代结构工程学术研讨

5、会‘式中：Ⅱ。为平均应力或静水压力；B为材料常数；矿为内摩擦角：{5】偏应力向量；【M】为系数矩阵d．，为材料屈服强度；c为凝聚力。Drucker—prager理想弹塑性模型使用Druckerprager屈服准则，此屈服准则对Mohr—couloⅢb准则给予近似，以此来修正vonmses屈服准则，即在vonMises表达式中包含一个附加项。其屈服面不随着材料的逐渐屈服而改变，然而其屈服强度随着侧压力(静水应力)的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想弹塑性。在模拟士体材料的弹塑性性质时，这种屈服条件得到广泛的应用。．在对承台

6、旌加竖向荷载后，如果桩基与土体之间没有产生明显的相对滑动，那就可以认为二者之间变形是协调的。但一般情况下，由于这两种材料性质相差较远，在一定的受力条件下有可能在其接触面上产生错动滑移或开裂。对此，采用一种特殊的力学模型，即接触单元”1．它是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元。一’一般情况下，当一种软材料和～种硬材料接触时，可以粟用有限元法提供的刚体一柔体的面一面接触单元来模拟，选用刚体一柔体的接触单元来模拟桩土交界面的非线性，其中，刚性面被当作“目标”面，在通用有限元软件ANsYs中，可利用TARGEl70单元来模拟，柔性体

7、的表面被当作“接触”面，用c0NTAl74来模拟01。接触单元能较好地模拟桩土共同作用，对基础工程理论的研究起到了极大的推动作用。’有限元分析中库仑摩擦模型定义了一个极限剪应力气。，计算公式如下式吒唧=∥P+C(5)式中：f。为极限剪应力；∥为摩擦系数；P为法向接触压力：c为摩擦凝聚力。oANsYs程序提供了standard，rou曲，noseparation抽0兀ded等几种摩擦类型。本文选取了standard(标准)摩擦模型。在标准的库仑摩擦模型中，两个接触面在开始滑动之前，在它们的界面上会有达到某一大小的剪应力产生，这

8、种状态称作粘合状态(stick)“1；库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力，一旦剪度力超过此值后，两个表面之间将开始滑动，这种状态称作滑动状态(sliding)⋯。粘合／滑动计算决定什么时候一个点从粘合状态到滑动状态或从滑动状态到粘合状态，摩擦系数可以是任一非负值。三、某水闸群桩一软土及承台共