桩土相互作用模型分析及土弹簧的刚度确定
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。
桩土相互作用分析
桩土相互作用分析
桩土相互作用分析
桩基础的设计
设计桩基础的一般程序： 搜集必要的资料 拟定出设计方案
基桩和承台以及桩基础整体的强度、稳定、变形验算。 经过计算、比较、修改，以保证承台、基桩和地基在强 度、变形及稳定性方面满足安全和使用上的要求， 同时考虑技术和经济上的可能性与合理性，最后确定较 理想的设计方案。
桩土相互作用分析
3．桩土相互作用存在的问题 试验方法 由于不能模拟自重应力条件，桩的小比例尺模型试验无 法准确地观测到桩基深处土层在实际应力条件下的性状及 其与桩的相互作用。室内试验存在着尺寸效应。而桩的现 场静载荷试验，因影响因素过多，必须经过大量的试验积 累，才能找出规律。
在于保证桩侧土的稳定而不发生塑性破坏，予以安全储备，
并确保桩侧土处于弹性状态，符合弹性地基梁法理论上的 假设要求。验算时要求桩侧土产生的最大土抗力不应超过
其容许值 。
桩土相互作用分析
（二）群桩基础承载力和沉降量的验算 当摩擦型群桩基础的基桩中心距小于6倍桩径时，需 验算群桩基础的地基承载力，包括桩底持力层承载力验算 及软弱下卧层的强度验算；必要时还须验算桩基沉降量， 包括总沉降量和相邻墩台的沉降差（见本章第三节）。 （三）承台强度验算 承台作为构件，一般应进行局部受压、抗冲切、抗弯 和抗剪强度验算。
五、桩基础设计计算步骤与程序
桩土相互作用分析
2．桩土相互作用研究方法 经典理论分析法 (b）剪切位移法：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。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。
圬工，减小作用在桩基的竖向荷载。
土弹簧分析实例_ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）_[共7页]
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第5章 非线性静力学分析– 412 –图5-3-63 自由度分析5.3.6 土弹簧分析实例土弹簧广泛应用于桩土、地基开挖等分析中。
下面以一个简单的桩土分析说明土弹簧设置过程。
1．建立二维模型以XY 平面先建立二维矩形，长为6mm ，高为100mm ，左下角坐标为（−3，−25），此矩形为桩模型；再以坐标系原点建立一个半圆形，半径为100mm ，去除一个25mm ×6mm 的矩形（与桩模型匹配），一个半圆环，内半径为150mm ，外半径为175mm ，此两件模型即为土模型。
为建立弹簧连接，本例采用硬点（Point Load ）方法，分别选中半径为100mm 、150mm 的两条圆弧，将其等分20份（具体设置：Point Type 定义为Point Load ；Definition 定义为Sequence by N ；N 定义为20）。
模型如图5-3-64所示。
2．定义dp 材料本构如图5-3-65所示，新建一材料，名称定义为dp 。
先定义其线弹性参数，杨氏模量为5E+09Pa ，泊松比为0.38；再定义Brittle/Granular-Drucker-Prager Strength Linear 参数，屈服5.3 状态非线性分析——接触– 413 – 强度为1E+07Pa ，Slope 为30°（本构概念参见5.1.1节）。
图5-3-64 二维桩土模型图5-3-65 定义dp 材料本构3．定义平面模型在Geometry 的细节菜单中将2D Behavior 定义为By Body ，这是可以对桩和土定义不同的平面类型。
选择桩模型Behavior 定义为Plane Stress ，Assignment 默认为Structural Steel ；选择。
土弹簧计算
等代土弹簧刚度ks计算参照《土力学与基础工程》（赵明华主编）中的“地基土横向抗力系数的比例系数m值”，桩的计算宽度可按下式计算，且：:当当当、单排桩或的多排桩K=1.0对式中：—桩的计算宽度（m）—桩径或垂直于水平外力作用方向桩的宽度（m）—桩形状换算系数，视水平力作用面（垂直于水平力作用方向）而定，圆形或圆端截面；矩形截面；对圆端形与矩形组合截面—桩间相互影响系数；—平行于水平力作用方向的桩间净距；梅花形布桩时，若相邻两排桩中心距c小于（d+1）m时，可按水平力作用面各桩间的投影距离计算。
—地面或局部冲刷线以下桩的计算埋入深度，可取=3（d+1）,但不得大于地面或局部冲刷线以下桩入土深度.—平行于水平力作用方向的一排桩的桩数n有关系数，当n=1时，=1.0；n=2时，=0.6；n=3时，=0.5；n≧4时，=0.45；采用式-1公式计算土弹簧刚度ks。
式-1式中：a——计算位置所处的土层厚度，取每个单元长度a=1.0m。
z——计算位置土层深度m——水平地基抗力系数M值列表地基土质情况M值（KN/m4）的粘性土，淤泥1000～2000的粘性土，粉砂2000～4000的粘性土，中、细沙4000～6000的粘性土，粗砂6000～10000砾石、砾砂、碎石、卵石10000～20000注：①IL为粘性土的液限指数；②地下连续墙在计算土体面或开挖面处的水平变位大于10mm时，取表中较小值。
上海南浦大桥纵向地震反应分析2007-05-07 16:17上海南浦大桥纵向地震反应分析范立础袁万城胡世德（同济大学）【摘要】本文采用克拉夫(CIough)拟静力位移的概念，建立包括柱周土弹簧在内的结构多点激振增量动力平衡方程，并考虑了拉索、塔和辅助墩预应力拉索支座的非线性，对上海南浦大桥进行了考虑桩一土一结构相互作用和行波效应的纵向水平地震反应分析。
一、前言上海南浦大桥是一座双塔双素面斜拉桥，跨径为76．5十94．5十423．0十94．5十76．5m。
桩-土相互作用的模型试验研究
沉 管 等施 工 过程 中或 在 打桩 过程 中 由于 捶 击偏 心 或 其 他原 因 ， 免会 出现 断裂 、 难 混凝 土 离 析 、 颈 、 缩 扩 颈、 破裂 、 位等 质量 缺 陷 。 错 由于桩周 土 的存在 ， 对基 桩 缺 陷程 度仍 然只 能进行 定 性分 析［ ］因此客 观评 １。
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图 ４ 桩底 土 刚 度 系 数 对 底 部 反 射 的 影 响
图 ５ 桩 底 土 阻 尼 系 数对 底 部 反 射 的 影 响
７ ２
佛 山科 学技 术 学院 学报 （ 自然科 学版 ）
第２ ９卷
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桩周土体静阻力模型分析及在打桩中的应用
桩周土体静阻力模型分析及在打桩中的应用1概述在运用波动方程法预测桩的可打入性及单桩极限承载力中，桩周土体静力模型的合理选择是个极其重要的问题。
土体的静力特性远非线弹性、理想弹塑性能简单描述，而非线性、非弹性、弹塑性等模型可较好地描述。
因此，改良土体静力模型及其计算参数确实定方法，是进一步完善波动方程分析法的一个非常重要方面。
桩侧摩阻力的发挥一般是桩体和土体之间的剪切破坏,也可能是桩体带着部分土体，土体间的剪切破坏，而桩端阻力的发挥有的是刺入破坏，有的是压剪破坏［1］。
由此可知，桩侧土主要承受剪切变形，而桩端土体变形主要是压缩，而且不能承受拉应力，桩侧土体和桩端土体的变形和破坏机理是截然不同的。
文献［2］通过室内剪切试验，测得不同法向压力下，钢和混凝土材料分别与土之间的摩阻力与剪切位移的关系曲线，用以描述桩、土间的荷载传递特性。
结果说明摩阻力和剪切位移呈非线性关系，而且符合双曲线方程。
汉森(Hansen).瑞典桩基委员会和ISSMFE提案也都曾假定压载试验的荷载-位移(P-S)曲线为双曲线［3］。
曹汉志［4］通过试桩发现实测到的荷载传递曲线可近似用双曲线来描述。
王幼青、张克绪［5］等人通过分析71根桩的压载试验的荷载-位移(P-S)曲线，得到S/P-S的线性回归的相关系数的平均值为O.9976,这说明桩的荷载-位移（p-S）曲线完全可近似用双曲线关系来拟和。
但该文中不分桩侧土体、桩端土体，均采用双曲线模型来模拟，模型中参数完全基于桩的静载荷试验值，不易推广。
由上述土力学理论及室内、室外试验结果，都说明在静荷载作用下桩周土体表现出非线性特性，并可用双曲线来描述荷载与位移的关系。
但基于桩侧土体和桩底土体的变形及破坏机制不一样，而且桩端土不能承受拉力的特点，因此,桩侧与桩端土体静力模型应用不同的模型来描述。
为简化起见，文中桩侧土体静摩阻力与剪切位移的模型采用双曲线关系，桩端土体仍采用理想弹塑性模型来描述（即同Smith法[6]）o2桩周土体模型2.1改良的桩侧土体模型在动力打桩过程中，桩侧土体单元i在时刻t时所发挥的静阻力和动阻力分别由非线性弹簧（双曲线）和缓冲壶组成的模型来模拟。
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。
桩刚度计算
桩刚度计算桩刚度计算是土木工程中桩基础设计的一个重要环节，其结果直接影响到桩的承载力和变形性能。
本文将从桩的刚度计算原理、计算方法和实际应用等方面进行详细介绍，希望能够对桩基础设计者提供指导和帮助。
桩刚度计算的原理基于弹性力学，即利用材料的弹性性能来分析桩体在外力作用下的变形及承载力。
桩的刚度是指其抵抗外力作用产生的变形的能力，可以分为水平刚度和垂直刚度两个方向。
水平刚度表示桩在水平方向上的刚度，主要反映了桩抵抗水平力引起的变形能力；垂直刚度表示桩在垂直方向上的刚度，主要反映了桩抵抗垂直荷载引起的变形能力。
桩刚度的计算方法主要有两种：经验法和理论计算法。
经验法是根据工程经验和实际桩的试验数据得出的公式，适用于常见的桩型和工程场地；理论计算法是基于材料力学理论和土力学理论，通过建立数学模型来分析桩的刚度。
两种方法各有优劣，在实际应用中需要结合工程要求和具体情况进行选择。
桩刚度计算在桩基础设计中的应用非常广泛。
首先，桩刚度是桩的承载力计算的基础，通过计算桩的刚度可以得到桩的承载力；其次，桩刚度对土的变形和沉降也有一定影响，在建筑物或者桥梁等上部结构允许变形的情况下，可以通过调整桩的刚度来控制土的变形；另外，桩刚度计算还可以用于优化桩基础设计，例如在局部软土地层或者地震区域，可以通过增加桩的刚度来改善桩基础的抗震性能。
总之，桩刚度计算是桩基础设计中的重要工作，需要结合弹性力学、土力学和结构力学等方面的知识和原理进行综合分析和计算。
只有通过准确的桩刚度计算，才能保证桩基础的设计安全可靠，满足工程要求。
因此，桩基础设计者在进行桩刚度计算时，应该深入学习相关理论知识，结合实际情况合理选择计算方法，切实提高桩基础设计的水平和质量。
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桩土相互作用模型分析及土弹簧的
刚度确定
桩基地基相互作用在工程领域中是一个非常重要的研究方向。
如何分析桩土相互作用，确定土弹簧的刚度，已经成为研究者们长期以来的研究方向。
本文将着重介绍桩土相互作用模型的分析以及土弹簧刚度的确定方法。
一、桩土相互作用模型分析
桩土相互作用的分析是一个很复杂的问题，需要考虑很多因素，例如桩的形状、尺寸、材质、荷载作用方式以及土体的本构模型等等。
因此，建立一个合适的桩土相互作用模型是非常重要的。
常用的桩土相互作用模型主要包括刚性桩模型、柔性桩模型、弹性桩-地基模型和弹塑性桩-地基模型等。
具体模型的选择应根据实际工程情况进行合理选择。
在选择模型的同时，还需要考虑模型的精度和适用范围。
1. 刚性桩模型
刚性桩模型是一种假设桩完全刚性的模型，桩与土体之间不存在变形，荷载沿着桩轴线方向传递。
该模型的应用比较广泛，特别是在短桩和单桩承载力计算中。
但是，刚性桩模型忽略了桩与土体之间的变形，因此在一些长桩、柔性桩及复杂荷载情况下，其结果可能需要进行修正。
2. 柔性桩模型
柔性桩模型是一种假设桩的刚度较小，桩与土体间存在较大变形的模型。
因此，在该模型中，桩遭受荷载后，桩柄会发生变形，从而引起桩端和土体的变形。
这种模型适用于长桩或软土等复杂工程情况的分析。
但是，柔性桩模型的计算较为复杂，同时模型误差也较大。
3. 弹性桩-地基模型
弹性桩-地基模型是一种假设桩和土体都是均质的弹性体
的模型。
该模型假设桩和土体在弹性阶段的反应服从弹性理论，可以较好地反映桩与土体之间的相互作用关系。
其应用比较广泛，适用于一些较小荷载的工程应用。
4. 弹塑性桩-地基模型
弹塑性桩-地基模型是一种新的桩土相互作用模型，既考
虑了弹性行为，也考虑了土体的塑性行为。
该模型能够比较准确地反映桩与土体之间的相互作用关系。
其应用范围广泛，特别适用于长桩和承载力较大的复杂应力场中的计算分析。
二、土弹簧的刚度确定
在桩土相互作用中，土弹簧承担着承载荷载的重要作用。
土-桩-土系统中的土弹簧可以视为一个线性弹簧，其刚度值对
于整个系统的稳定性和荷载承载能力具有重要影响。
土弹簧刚度的计算方法可分为双参量法和三参量法两种。
1. 双参量法
双参量法常用于刚性桩的计算。
该方法基于Winkler弹簧
模型，将荷载均分到桩周土中形成单向过渡层，土弹簧刚度由土体参数和桩侧阻力共同确定。
2. 三参量法
三参量法是一种基于土体孔隙水压力和桩侧摩阻力的土弹簧刚度计算方法。
该方法适用于复杂荷载情况下的柔性桩计算。
根据该方法，土弹簧有三个参量：弹性模量、黏性阻尼模量和准静态模量。
其中，弹性模量与土体的模量和孔隙比有关，黏性阻尼模量与桩颈摩阻力和桩侧摩阻力有关，准静态模量则是两者的加权和。
三、结论
桩土相互作用模型的分析和土弹簧刚度的确定是评估桩基承载能力和稳定性的关键步骤。
在工程实践中，应根据实际情况选择合适的模型和计算方法，并考虑其精度和适用范围。
同时，在计算过程中还需要充分考虑土体参数的变化和荷载的变化对计算结果的影响。
总之，只有在充分考虑各种因素的基础上，才能够得到准确的桩土相互作用分析结果和土弹簧刚度值，为工程的设计和施工提供有力的支撑。