基于轴对称接触问题的有限单元法及其在桩基工程中的应用

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1、西南交通大学硕士学位论文轴对称接触问题的有限单元法及其在桩基工程中的应用姓名：王新申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：毛坚强20031001西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要桩土之间的接触面对桩基的受力特性有着重要的影响，在计算中不应无视它的存在。有限元等数值方法虽然已在桩基特性分析中得到了广泛的应用，但计算中对桩士接触面的处理却仍然是一个并未很好解决的问题。本文的主要目的就是将该类问题作为接触问题进行处理，然后建立一种桩土相互作用的计算方法，并应用于桩基的工程实践之中。在有限元中计算中，常用的方法是利用节理单元来模拟接触面。本论文对这种方法经过分析之后，

2、发现这种处理方式对接触面的描述并不合理，也无法反映出接触面的主要力学特征。同时指出，将桩土相互作用按接触问题来处理，可以更好地反映出该接触面的主要力学特征，即：(1)接触面具有相应的“抗剪强度”，即当接触面上的某一点处的切向应力小于该点处的抗剪强度时，该处桩土共同变形；达到其抗剪强度时，则沿切向发生滑动；(2)在整个变形过程中，桩与土不能互相侵入。针对于接触问题的求解，目前已经发展了很多计算方法，如数学规划法、罚函数法等。本文采用的是[2]中提出的“自由度法”，并根据其计算原理建立了轴对称等参数单元的有限元计算公式，并详细介绍了弹塑性接触问题的有限元求解实施过程。“自

3、由度法”涉及到的概念与普通的接触有限元相比，既有同也有异，因此作者在阐述本法相关概念的同时，还与普通接触有限元的处理方式作了对比。传统的有限元程序采用结构化的语言编写，由于结构化语言本身的缺陷，使有限元程序的更新、扩展功能受到很大的限制，80年代出现的面向对象编程思想为解决这个问题提供了转机。目前，已有学者将面向对象编程思想引入到有限元编程当中，但在接触问题中，却研究较少。本论文中，作者将面向对象编程的思想应用于接触问题有限元程序的编制，并建立起了轴对称接触问题的对象类框架。完成上述工作后，作者对西昌某工地现场的两根试桩进行了计算分析。通过计算，得到相应的荷载一沉降曲

4、线、轴力图、桩侧阻力图、塑性区、土的竖向位移等值线、桩的滑移过程等结果，并与现场试验结果吻合较好，说明用本文方法计算分析桩基的工作特性是可行和有效的。关键词接触问题；有限元；桩基；面向对象编程西南交通大学硕士研究生学位论文第ll页Absl：ractAstheinterfacebetweenpileandgeoteclmicalmediae腩ctsthemechanicalbehaviorsofthepilefoundationsignificantly，areasonablemodeliscriticalinthecalculationandanalysisofpil

5、e．Sofar,thoughfiniteelementmethodhasbeenwidelyusedinpilefoundationengineering，itstillremainsanintractableproblemtosimulatetheinterfaceideallyinnumericalanalysis．Theauthordeemsthatitisapracticalwaytotreatthisproblemascontactprobleminsolidmechanics．Themainintensionofthispaperistodevelopaf

6、initeelementapproachforaxisymmetriccontactproblemsandapplyittopilefoundation．Sofar,intheFEManalysis，thecontactinterfacesusuallyaretakenasthejointelement，whichwasintroducedbyGoodmanearlyin1968．Nevertheless，inthemodel，thecontactinterfacesarecharacteredsimply诵t11stiffnessKnandKs，whickisnot

7、perfectandrigorousintheviewofsolidmechanicsandratherroughforthedescriptionofthebehavioroftheinterfaces．Incontrast，takenasacontactproblem，theprincipalcharactersoftheinterfacescanbereflected：(1)thecontactinterfaceisofshearstrengthwhichimpliesthatagenericpairofcontactpointsonthein