桩土接触分析
桩土相互作用
桩土相互作用研究综述1 桩土相互作用的研究现状桩土相互作用问题属于固体力学中不同介质的接触问题,表现为材料非线性(混凝土、土为非线性材料)、接触非线性(桩土接触面在复杂受荷条件下有黏结、滑移、张开、闭合4形态)等,是典型的非线性问题。
为了能够全面地评价桩土的相互作用问题,通常需要确定桩、土体各自的应力和应变以及接触区域处位移和应力分布的数据,对影响桩土相互作用的各因素进行全面研究。
研究桩土相互作用问题需要考虑的因素有:(a)土的变形特征;(b)桩的变形特征;(c)桩的埋置深度;(d)时间效应(土的固结和蠕变);(e)外部荷载的形式(静载或动载);(f)施工顺序(即开挖、排水以及基础和上部结构施工各个阶段的影响)。
目前桩土相互作用的研究方法主要有理论分析法和试验方法。
1.1理论分析方法理论分析方法分为经典理论分析方法和数值分析方法。
1.1.1经典理论分析法(1)弹性理论法。
以Poulos方法为代表。
假定桩和土为弹性材料,土的杨氏模量ES或为常数或随深度按某一规律变化。
由轴向荷载下桩身的压缩求得桩的位移,由荷载作用于半无限空间内某一点所产生的Mindlin位移解求得桩周土体的位移。
假定桩土界面不发生滑移,即可求得桩身摩阻力和桩端力的分布,进而求得桩的位移分布。
如果假定Mindlin位移解在群桩的情况下仍旧适用,则弹性理论法可以被推广至群桩的相互作用分析中。
(2)剪切位移法。
以Cooke等为代表。
根据线性问题的叠加原理,可将剪切位移法推广到群桩的桩土相互作用分析中。
Nogami等基于上述思想再把每根桩分成若干段并考虑地基土分层特性,得到比Mindlin公式积分大为简化的数值计算方程组。
剪切位移法的优点是在竖向引入一个变化矩阵,可方便考虑层状地基的性况,均质土不需对桩身模型进行离散,分析群桩时不依赖于许多共同作用系数,便于计算。
(3)荷载传递法。
荷载传递法本质为地基反力法。
根据求取传递函数手段的不同,可将传递函数法分为Seed等提出的位移协调法和佐腾悟等提出的解析法。
概析桩-土相互作用机理
概析桩-土相互作用机理1、引言当上部结构的荷载较大、适合于作为持力层的土层埋藏较深，并且采用天然浅基础或仅作简单的人工地基加固仍不能满足要求时，常采用的一种方法就是做桩基础。
把结构支撑在桩基础上，荷载通过桩传到深处的坚硬岩土上，从而保证建筑物满足地基稳定和变形容许量的要求。
桩通过其侧面和土的接触，將建筑荷载传递给桩周围的土体，或者传递给更深层的岩土，从而获得较大的承载能力以支撑上部的大型建筑物。
因此，研究桩土间的相互作用机理不仅能够对基础设计提供合理参考，在桩基施工过程中也可对安全施工做出贡献。
桩-土共同作用问题是地基基础与上部结构共同作用问题中的一个分支，研究地基基础与上部结构共同作用的理论，重要的是解决桩、地基土和基础之间共同作用的问题。
在该课题研究的几种方法中，比较完整的三维空间分析方法系由Hongladaromp等人和Hian提出。
进几十年来来，随着国内基础建设的兴起，桩基基础在全国各地都被广泛采用，桩-土共同作用机理也越来越被重视，许多学者采用各种试验方法并取得了不少有价值的研究成果。
但因为地下空间的复杂，影响桩-土共同作用的因素繁多，使桩-土共同作用问题研究仍然存在尚未解决的问题。
因此，本文将对这些具有代表性的研究成果进行简单的回顾，并阐述当今桩-土共同作用研究中存在的问题和今后的发展方向。
2、桩-土共同作用研究现状近年来，桩-土共同作用问题被广泛研究，主要影响因素有上部荷载形式以及桩型选取和土性变化，而桩型和土性影响可以归为桩-土界面影响因素。
下面主要详细介绍近几十年来桩-土共同作用机理研究进展。
80年代，费勤发等对建筑荷载下复杂的单桩位移影响系数以及桩对桩位移影响系数的计算给出了简易解法。
并且对单桩的一系列参数给出可以笔算的解析式。
将桩对桩以及桩对土的位移影响系数计算归并于单桩位移影响系数计算公式中。
将简化计算解与精确解进行详尽的比较和细致的分析给出简化计算解的最大相对误差范围，而简化计算结果足以满足工程要求。
桩-土-桩相互作用有限元接触分析
桩-土-桩相互作用有限元接触分析摘要：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。
本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 引言桩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。
本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。
1 ABAQUS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。
2 ABAQUS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，只能采用线性单元。
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，本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。
斜坡桩土共同作用的接触分析
文 主要从 土体 的粘 聚力 、 擦 角 的变化来 考虑 ， 聚 摩 粘
力 、 擦角 的增 大会 在 一 定 程度 上增 加 桩 身 的 水 平 摩
约束 力 ， 同时 ， 也会 影 响 土 体 单 位 面 积 土 抗 力 的 大 小 ； 土界 面 由于两种 材料 的 弹性模 量相 差很 大 ， 桩 界 面两侧 材料 变形 不一 致而产 生较 大 的剪应 力 。通过
（ 庆 交通 大 学 防 灾 减 灾研 究 所 ， 重 重庆 ４ ０ ７ ） ０ ０ ４ 摘 要 ： Ａｎ ｙ 软 件 为平 台 ， 立 一 种 桩 一 土 共 同作 用 的 三 维 非 线 性 有 限 元 模 型 ， 究 坡 体 上 的 桩 水 平 位 移 及 剪 以 ｓｓ 建 研
应力变化情况 ， 充分考虑材料和桩土 交界 面的非线性影 响因素。通过改 变土体 参数 的大小定性描述 土体的粘 聚力、
Ｓ ｏ ｅ Ｐｉｅ ｓ ｉ Ｉ ｅ ａ ｔｏ ｆＣｏ ｔ ｃ ａ ｙ ｉ ｌ ｐ ｌ — ｏ ｌ ｎｔ ｒ ｃ ｉ ｎ ｏ ｎ ａ ｔＡｎ ｌ ｓ ｓ
ＦＡＮ ａ － ｉ Ｈ ｎ ｘｕ，ＸＩ ＡＯ ｈ ｎ － ｉ ， ｈ ｎ — ｉ Ｓ ｅ ｇ ｘ ｅ ＬＩＺ ｏ ｇ ｙ
（ ｓａ ｃ ｎ ｔ ｕ ｅｏ ｓｓｅ ｅｅ ｔ ｎ ａ ｄＭ ｉｇ ｔ ｎＥｎ ｎ ｅ ｎ ， ｈ ｎ ｑｎ ｉ ｔｎ ｉｅｓｔ ，Ｃ ｏ ｑｎ ４ ０ ７ ，Ｃ ｉａ ＲｅｅｒｈＩ ｓｉ ｔ ｆＤｉ ｔｒＰｒｖ ｎｉ ｎ ｔ ａｉ ｇｉｅｒ ｇ Ｃ ｏ ｇ ｉ Ｊａ ｏ ｇ Ｕｎｖ ｒｉ ｔ ａ ｏ ｉ ｏ ｉ ｇ ｏ ｙ ｈｎ ｉ ｇ ｇ ０ ０ ４ ｈｎ ）
Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ＆ Ｅｃ ｎ ｍｙ ｉ ｅ ｓ ｏ Ｃｏ ｅ ｈ ｏｏｙ ｏ ｏ ｎ Ａｒ ａ ｆ ｍｍ ｕ ｉ ａ ｉ ｎ ｎ ｃ ｔｏ ｓ
轴向载荷作用下桩土相互作用数值分析
轴 向载荷作用下桩 土相互作用数值分析
黄圣波 ，李勇泉
（ １ ． 中铁四院集团南宁勘察设计 院有 限公司 ，广西南 宁 ５ ３ ０ ０ ０ ３ ；２ ． 河南工业大学土木建筑学 院 ， 河南郑 州 ４ ５ ０ ０ ０ １ ）
关键词 轴向荷栽 ；桩一 土相互作用 ；Ｄｒ ｕ ｃ ｋ ｅ ｒ — Ｐ ｒ ａ ｇ ｅ ｒ 模型 ；接触模型
中圈 分类号 Ｔ Ｕ４ ７ ３ １ 文献标识码 Ａ 文章编号 １ ６ ７ ３ — ９ ６ ７ １ 一 （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ １ — ０ １ ９ ６ — ０ ２
１弓 ｌ 言
为是 ：
塑性应变垂直于塑性势面，其值大小确定公式为 ：
Ｇ
署 ｌ
ｊ
㈩
这里 为塑性因子 ，能由变形协调条件确定。
３ 桩一 土接触模 型
通 过 一定 的接触 形 式 及相 应 的参 数 考 虑桩 土 （ 岩 ）之 间的 摩
一
２ 土体模型
Ｄ ｒ ｕ ｃ ｋ ｅ ｒ － Ｐ ｒ ａ ｇ ｅ ｒ ￣ 型公 式 为 ：
Ｆ ＝ ｃ ｔ Ｉ 十 √ ， ２ 一 Ｙ ＝ Ｏ
１
。
２
（ １ ）
指的 是偏应力第
这里Ｉ ． 是主应力第一不变量；Ｊ ， ＝÷
二不变量，Ｓ ＝ ～ ÷ ， ｊ
力。
Ⅱ 和Ｙ 分别指的 是土的摩擦角和粘聚
对 于小 应 变公 式来 说 ，应变 率 通 常被 分 解为 弹性 和塑 性部 分
所组 成 。
＝
“
（ ２）
这种 应力 一 应 变关 系 能写作 ：
＝
Ｃ ｏ ｋ ／ （ 一 ）
接触桩土作用模型在桥梁地震响应分析中的应用
时 程 分析 采 用 直接 积 分 法 ， 分 析 得 到桩 在 地 震 力 作用 下 的响应 ， 包 括 桩 的位移 、 加 速度 、 弯矩 、 剪力 等 响应 。 提 取 两种 模 型 计算 得 到 的桩 顶 位 移 、 加 速度 ， 桩 底 弯矩 和 剪 力 最 大地 震 响 应值 列 于下 表 中 。
１有 限元 接触 桩 土作 用模型
大量 的试 验 研 究 表 明 ， 在 地震 力 作 用 下 ， 桩 与土 体 的 相互 作 用 会 使 土体
样 的结 果 显示 ， 接 触桩 土 作用 模 型 可 以模 拟 桩 土 间的 分 离 、 摩 擦 以及 土体 屈
服 等现 象 。
采 用接 触模 型 分析 得 到 的桩顶 位移响应 峰 值 、 桩 底 弯矩 峰值 及 桩底 剪 力 峰 值均 较采 用 动力 Ｗｉ ｎ ｋ ｌ ｅ ｒ ￣ 型分 析得 到 的响 应值 大 。分析 其原 因 ， 主 要是 因
参 考文 献 … １ 于芳 １ 周 福 霖， 温 留汉 ， 黑沙． 设置 双 向隔震 支座 铁 路 桥 梁 的耦 合 振 动 响 应 Ⅱ ］ ． 东南大 学 学报 （ 自然 科 学版） ． ２ ０ １ ０ ， ４ ０ （ ３ ） ： ５ ６ ６ － ５ ６ ９ ． 【 ２ １ 陈永康 ， 岳建 彬． 大跨度 混 凝土 斜拉 桥模 态 与地 震 响应 分析 田 西部 交通 科技 ， ２ ０ １ ２ ， （ １ ２ ） ： ２ ５ － ２ ９
会发生屈服， 产生较大不可恢复变形。 采用传统的假定模型 ， 无法模拟这种桩
土 在地 震 中的分 离现 象 。
有 限 元方 法 中 的接触 单 元 的引 入 ， 为 这个 问 题提 供 了 解决 的 途径 。采用
基于接触力学的复杂桩土结构相互作用分析
关 键词 ： 接触力学； 桩土相互作用； 码头
Ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｐｉ ｌ ｅ Ｓ ｏ ｉ ｌ Ｉ ｎｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｂａ ｓ ｅ ｏ ｎ Ｉ ｎｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔｈ ｅ ｏ ｒ ｙ
建 材 世 界
２ ０ １ ３年
第３ ４卷
第 ２ 期
基 于 接 触 力 学 的 复 杂 桩 土 结 构 相 互 作 用 分 析
罗 海 勇 ， 王 保学
（ １ ． 南 京水 利科 学研 究 院 ， 南京 ２ １ ０ ０ ２ ９ ； ２ ． 长 江勘 测规 划设 计研 究 有 限责任 公 司 ， 武汉 ４ ３ ０ ０ １ ０ ）
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ； ｐ ｉ ｌ ｅ ｓ ｏ ｉ ｌ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ； ｐ ｉ ｅ ｒ
修建大型码头 、 滑道和海上钻井平 台时， 往往要采用灌注桩提高天然土体 的承载力 ， 减小地基 的变形 。
１ 桩 土接 触 分 析
１ ． １ 接触 力学 机理 简介
土与结 构体 之 间的相 互作 用在 岩土 工程 中非 常普 遍 ， 由于土体 与结 构体 在力 学性 质方 面 相差 很大 ， 在 受
力情况下 ， 土体与结构体之间除了力 的传递外 ， 还可能产生相对位移 ， 如相对错位或开裂等， 这使得土体与结
ｐ ｉ ｌ ｅ ｓ ｏ ｉ ｌ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗａ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ３ Ｄ ｍｏ ｄ ｅ １ ． Ｔｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ａ ｗ ｏ ｆ ｐ ｉ ｌ ｅ ’ Ｓ ｍｏ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｌ ａ ｔ ｅ ｒ ａ ｌ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｗａ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｌ ｉ ｄ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ｗａ ｓ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ．
基于abaqus的桩土相互作用分析
基于abaqus的桩土相互作用分析桩土相互作用是土木工程中的重要研究领域，它关注的是桩与土壤之间的相互作用效应。
桩土相互作用分析对于确定桩基承载力和变形特性等参数具有重要的意义。
ABAQUS作为一个常用的有限元分析软件，可以用来进行桩土相互作用分析。
首先，进行桩土相互作用分析需要建立适当的有限元模型。
对于桩土相互作用的分析，一般需要包括桩身、土体和桩的相互作用界面等部分。
桩体可以是直桩、摩擦桩或末端摩擦桩等形式，土体可以是均质土或非均质土。
在建立有限元模型时，需要根据实际情况选择合适的单元类型和材料模型，以准确描述桩和土体的力学性质。
其次，进行桩土相互作用分析需要对桩土相互作用界面应用适当的边界条件。
桩与土体之间的相互作用主要是通过桩土界面传递负荷和变形。
在建立有限元模型时，需要对桩土界面施加适当的应力或位移边界条件，以模拟桩与土壤之间的相互作用过程。
然后，进行桩土相互作用分析需要定义合适的荷载和加载方式。
在实际工程中，桩往往要承受来自地震、风荷载、交通荷载等多种荷载的作用。
在进行桩土相互作用分析时，需要根据实际情况选择合适的荷载和加载方式，并将其应用于有限元模型中。
最后，进行桩土相互作用分析后需要对分析结果进行评估和解读。
ABAQUS可以输出桩的承载力、桩身和土体的变形等关键参数，通过对这些参数进行分析和解读，可以评估桩土相互作用的性能。
总之，基于ABAQUS的桩土相互作用分析可以通过建立合适的有限元模型、施加适当的边界条件、定义合理的荷载和加载方式，并对分析结果进行评估和解读，来分析桩土相互作用的行为和参数。
这对于土木工程中的桩基设计和施工具有重要意义。
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对于土体的摩擦范擦系数 。
桩土接触直剪实验
土与混凝土桩的接触面力学行为随土的含水量变化。进行了17%、20%、24%共3组含水量的土与混凝土桩接触面室内单剪试验,每组试验考虑5个法向应力。试验结果表明,在含水量一定时,接触面强度破坏仍遵循摩尔-库仑破坏准则（如下图）;接触面的抗剪强度、摩擦角随含水量的增大非线性单调减小,粘聚力则先增大后减小。随着含水量和法向应力的增大,接触面的破坏位置逐渐由几何接触界面向土体内部过渡。法向应力较小时,含水量对接触面应力应变曲线的初始段影响不大。
数码照片记录的典型破坏状态显示,土与混凝土接触面的破坏位置不全部在接触几何界面上,而是随土体含水量和法向应力变化。当含水量较小且法向应力较小时,破坏位置基本就在接触界面上;当含水量较大且法向应力较大时,破坏位置则逐渐向土体内部转移,接触面破坏发生在土体内部。随含水量的增大,桩-土接触面的抗剪强度、摩擦角非线性减小,粘聚力则先增大后减小。法向应力较小时,含水量对桩-土接触面应力应变曲线的初始段影响不大,但对曲线的后半段有较大影响。
成桩工艺的模拟？如何对施工过程中产生的成桩效应进行合理的模拟，其中包括挤土效应、应力解除、泥浆护壁、孔底沉渣和虚土等现象。
Abaqus中，桩土界面摩擦角是影响摩擦桩承载性能的关键，Potyondy（1961）和Acer（1982）等研究表明：对于粘性土取 是比较合理的。对于土体的摩擦角范围 ，那么桩土界面摩擦角的范围大概为 。