基于无网格法超长桩探究现状及发展动态

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1、基于无网格法超长桩探究现状及发展动态摘要：超长桩已成为软土地区超高层建筑和大跨径桥梁常用的一种桩型。在实际工程中，超长桩的受力性状非常复杂，目前仍没有公认的设计方法，超长桩荷载下的受力分析日益受到重视，成为目前研究热点之一。超长桩的受力及变形性状与中短桩有明显区别，常常涉及大变形问题，其数值模拟极其复杂，本文通过对国内外该领域文献的综合分析详细探讨了无网格法在超长桩数值计算方法的现状，并指出了该领域今后的研究方向。关键词：超长桩；无网格法；发展中图分类号：TU4文献标识码：文章编号:1009-0118(2012)09-0262-02一、前言被誉为“生命线”的全世界40%的基础设施建设

2、集中在中国，据不完全统计，近几十年来我国年用桩量已达5000万根以上［11我国沿海地区地质条件极其复杂，如广东、上海等沿海深厚软土达150-400m,80m以上超长桩已成为软土地区超高层建筑和某些安全等级要求较高的建筑物桩基常用的一种桩型。桥梁工程50-100m长桩已十分常见，如我国杭州钱塘江六桥(在建)采用的钻孔灌注桩桩长达130余米，而国际上最深已达150m[2]。随着桩长的增加，其承载性能及其影响因素更加复杂，现行规范中仍沿用普通桩的设计理论，即通过预估桩侧摩阻力和桩端阻力后相加并除以某一安全系数的方法得到，这一设计方法显示其局限性，大量的试验分析表明，基桩的侧阻和端阻发挥不同

3、步，如果按照统一参数计算缺乏确切的安全度概念，这一问题在超长桩的设计中尤为突出；而超长桩桩侧阻在桩身中部常存在强化效应，又使其设计存在一定的承载潜力。这种一方面基桩已具有一定承载潜力，另一方面设计人员仍试图以增大桩长提高基桩竖向承载力的矛盾，均源自于工程设计人员缺乏对超长桩承载性状的深入了解，因而根据现行规范对超长桩的设计是不完善的，也是不合理的。实际工程中经常出现因桩基沉降过大等引起的工程事故，或桩基设计中越来越保守的趋势和严重浪费的现象。因而开展超长桩的承载性能与设计理论研究具有重要的工程意义和较大的经济价值，也是工程界的迫切要求。然而，超长桩的足尺试验难于进行，从而使用数值模拟

4、方法探究其承载及变形性能成为更经济有效的方法。目前，国内外用于超长桩的数值分析方法主要是有限单元法。二、有限单元法在超长桩中的应用现状及存在问题正如前面所述，从目前的研究文献看，对于超长桩的研究都基于幕级数解答或有限元等传统的数值计算方法，无论从设计分析理论上，还是在工程实践中尚存在较多的问题和不足，有待进一步完善和发展。在大变形条件下，超长桩桩土之间往往出现滑移，甚至脱开，桩周土往往处于塑性变形状态，传统的数值计算难以满足如此要求，虽然有限单元法发展得较为成熟，其可同时考虑众多影响因素，如土的非线性、固结时间效应以及动力效应等，但在用轴对称有限元法对超长桩进行承载性能分析时，仍存在

5、以下问题：（一）大变形及开裂问题处理有限元法基于网格建立离散格式，难以求解与初始网格线不一致的不连续性和大变形问题，计算复杂并将导致较大的计算误差。如果还要进行网格重构，就更加增添了前后处理的复杂性，使有效计算时间变小。对时间相关问题更要按时段反复重分网格，工作量惊人，甚至使分析失败。（二）桩土接触面处理用有限元进行桩土共同工作分析时，对于桩土接触面：目前的研究大都基于Goodman单元，这种无厚度的接触面单元尽管能较好地模拟刚度相差不大的岩石与岩石接触面上的滑移与张裂，但处理刚度相差较大的桩土接触面则会引起很大误差。且当桩周很粗糙，或接触面上的抗剪强度大于土体内部的抗剪强度时，滑裂

6、面会出现在与接触面紧邻的土体内，即实际滑裂面与桩周之间存在一剪切破坏带，若仍采用无厚度接触面单元模拟，则难以反映桩土接触面的实际变形特性。随着桩土接触变形的开展，分析域将发生变化，由此导致的网格重构，不仅影响计算精度且耗费机时。三、超长桩分析的无网格法尽管有限元在工程应用中取得了巨大的成功，它仍然在计算大变形和移动边界问题中遇到了很大的困难，为了保证单元具有良好的性态，往往需要在计算中调整网格，有时用于前后处理的时间甚至超过求解计算时间［3］。无网格法作为有限元法的一种重要的补充，近年来得到了广泛的关注。不同于有限元法，无网格法的近似函数是建立在一系列离散点上的，不需借助于网格，克服

7、了有限元法对网格的依赖性,在涉及网格畸变、网格移动等问题中显示出明显的优势，同时无网格法的前处理过程也比有限元法更为简单。在众多的无网格法中，局部彼得洛夫一迦辽金法比较适用于结构分析。(a)有限元法(b)无网格法图1有限元法与无网格的基本思想目前用于超长桩分析中的无网格法都是基于使用移动最小二乘近似函数进行插值的无网格伽辽金法(EFGM)或者无网格局部彼得罗夫一伽辽金法(MLPG)进行数值模拟，前者需要利用全局背景网格进行数值积分以计算系统矩阵，不能算作真