端承桩沉降的有限元模拟分析

端承桩沉降的有限元模拟分析 2010年第6期 第36卷总第158期 ItJ芝材SichuanBuildingMaterials?57? 2010年l2月 端承桩沉降的有限元模拟分析 陈晋 (兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070) 摘要:利用大型有限元计算软件Plaxis2D对某单端 承桩沉降进行模拟,通过采用不同的土体模型参数和桩身 桩脚的参数选取并和弹性理论的经验 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 计算的沉降量结 果对比表明有限元软件模拟分析的可行性和实用性. 关键词:Plaxis2D;端承桩;沉降量;Hardening-Soi- ling模型:Mohr—Coulomb模型 中图分类号:TU473.12文献标识码:A 文章编号:1672—4011(2010)06,0057—02 SettlementofpilesFiniteElementAnaly~s CHENn (LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China) Abstract:UsingfiniteelementsoftwareP1axis2Dofasin- glesettlementofpilestosimulatethesoilthroughtheuseofdif- ferentmodelparametersandparameterselectionofthepileand thepilefootandtheelastictheory,theexperienceofthesettle? mentformulacomparingtheresultsshowthatthefiniteelement softwaretosimulatethefeasibilityandpracticality. Keywords:Plaxis2D;piles;settlement;Hardening— Soilingmodel:Mohr—Coulombmodel 0前言 近年来,我国持续进行大规模的工程建设,在此过程 中遇到大量的复杂岩土工程问题.对于这些问题,仅依靠 有关规范所建议的简化设计分析方法往往是不够的,需要 采用有限元方法进行更精细的分析.Pl~is岩土工程有限元 分析软件是用于解决岩土工程的变形,稳定性及地下水渗 流等问题的通用有限元软件.它计算功能强大,运算稳定, 界面友好,能够高效解决大多数岩土工程问题.目前已成 为世界范围内流行的岩土工程有限元软件. 本文以文献[1]的某桩沉降量的弹性理论解为背景, 运用Plaxis2D对例题中的土体,单桩,竖向荷载进行模拟 分析,得到单端承桩在竖向集中荷载作用下的桩端沉降量. 通过两种方法的最终沉降量对比,证明了本文方法的正确 性与有效性,并为桩基工程软件分析提供一定的参考. 1材料模型和结构单元 土体模型分别采用Hardening—Soil模型(HS)和Mohr. Coulomb进行近似分析对比,参数见表1所示. Mohr—Coulomb模型是一种理想塑性状态的本构模型, 具有一个固定屈服面,固定屈服面是指由模型参数完全定 义的屈服面,不受塑性应变的影响.对于由屈服面内的点 所表示的应力状态,其行为是完全弹性的且所有应变都是 可逆的.摩尔.库伦模型中有5个基本参数:杨氏模量E, 泊松比v,内摩擦角,粘聚力c,剪胀角IlJ,这些参数都 可从基本的土工试验获得.而Hardening.Soil模型是一种改 进了的模拟岩土行为的土体模型,可以模拟包括软土和硬 土在内的不同类型的土体的先进模型.采用三个不同的输 入刚度可以将土体刚度描述的更为准确.HS模型的屈服面 在主应力空间中是不固定的,而是随着塑性应变的发生而 扩张.也就是说土体刚度和应力相关.此模型的基本特征 如下: 表1 参数名称粘土砂土粘土砂土单位 材料模型模型HSHS摩尔-库伦摩尔一库伦 材料类型类型排水的排水的排水的排水的 水位以上土体重度rift"ll516.51517kN/m3 水位以下土体重度ttll820l820kN/n13 水平渗透系数k0.000l1.OO.oo01I.0m/天 011.0O.0o0l1.Om/天 垂直渗透系数ky0.? 弹性模量(常数)ElO008000030oOl3O000kN/m 弹性模量增量incHm曲65OkN/m 泊松比O.330.3O.330.3 粘聚力(常数)ctcf5.51.05.51.0kN/m2 内摩擦角击243128.53l 剪胀角山O1.OO0.0 界面强度折减因子Rin刚性刚性刚性刚性 (1)刚度依据某个幂率的应力相关性.输人参数m, 本例砂土和粘土分别取0.5,0.1; (2)主偏量加载引起的塑性应变.输入参数E,本 例砂土和粘土分别取98000kN/m和9700kN/m; (3)主压缩引起的塑性应变.输入参数E,本例砂 土和粘土分别取98000kN/m2和9700kN/m2; (4)弹性卸载/重加载.输人参数E,1,本例砂土 和粘土1,取0.2,EuT'~f软件自动生成; (5)依据摩尔一库伦模型的破坏模式.输人参数e,(p, tl,,见表一所示. 端承桩的桩身采用点对点锚杆来近似,该单元既可受 拉也可受压,桩身上端承受800kN的集中荷载压力.锚杆 的刚度采用桩身C25混凝土的刚度EA=2.8E+07kN/m. 板单元用来模拟地层中的细长形结构对象,具有较大的抗 弯刚度和轴向刚度,本文中用来模拟桩端嵌入砂土层的部 分.桩与土体之间的相互作用用界面单元来模拟,界面有 一 个虚拟厚度,采用软件的默认值.图中的加减号是为了 区别不同界面,无任何物理意义,对计算结果无影响. 2建模计算 运用Plaxis2D版本进行竖向集中荷载作用下的单端承 ? 58? 2010年12月 4?』迂材 SichuanBuildin~Materin 2010年第6期 第36卷总第158期 桩的沉降过程模拟计算,桩径d=0.6m,土体分为2层, 上层为粘土,层厚15m.下层为砂土,层厚10m.桩入土 深I=17m,砂土层作为持力层.其中桩端2m嵌入砂土层 中.验算模型的示意图如图1所示,采用HS土体模型计算 的桩端沉降量如图2所示(16.09mm),采用摩尔一库伦土体 模型计算的桩端沉降量如图3所示(22.42mm). A 图1 E蕞票Cyl609x10xirEnle 图2 >\ \\7 .// \ ,肼 D c elorm e ed Em M 2 e 2 sh 12×1Om 图3 3弹性理论经验公式计算 根据文献[1]对于均匀深厚土层中的桩,有硬卧层土 层中的桩,支承于较硬持力层和刚性持力层上的桩的沉降 的简化 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 (波勒斯法)如下: 一 一 ×d 式中,=logR^凡 Q一作用于桩顶的竖向荷载(kN); ,0一刚性桩在半无限体(=0.5)中的沉降影响系数; R一考虑桩压缩性影响的修正系数; R,考虑刚性下卧层影响的修正系数; 一 土的自松比不同的修正系数; ,-一桩土刚度比,K=E心/Eo,为桩材的弹性模量, 为土的变形模量,为桩的横断面净面积与全 面积(/4)之比,对于实心桩=1. 计算过程如下: K=EpR^/Eo =2.85×l0×1/5 =0.57×10 取=0.35,根据文献[1]中的图2—34—2—37分别 查得: Io=0.76,R=1.02,=0.74,兄=0.95;代入式 I=loRkRh =0.76×1.02×0.74×0.95 =0.545 最终沉降量: = 一 墨Q:一 5000×0.6 =0.14m :】4mm 4结论 (1)通过有限元软件进行分析所得沉降量与按弹性理论 分析的经验公式方法计算沉降量相近,说明所选用的土体模 型,桩身,桩脚模型及相关参数是可行的. (2)土体模型对于桩基的沉降量有较大影响,通过对 Mohr-Coulomb模型,HS模型,Cam-Clay模型的对比分析,对 于非剪胀土HS模型能更好的模拟土体行为. (3)弹性理论经验公式把土体视为半无限弹性体,假定 桩与桩侧土之间不发生滑动,计算结果与把土体视为弹塑性 的软件计算相比偏小.Mohr.Coulomb模型把土体视为完全 塑性体,所得结果比采用弹塑性土体的HS模型要偏大,这与 实际的土体行为是相符合的. [ID:6229] 参考文献: [1]刘金砺.桩基础设计与计算[M].北京:中国建筑工业出版社, l990. [2]北京金土木软件技术有限公司.Plaxis岩土工程软件使用指南 [M].北京:人民交通出版社,2010. [3]张忠苗.桩基工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2007. [4]陈希哲.土力学地基基础[M].北京:清华大学出版社,2002. [5]王慧东.桥梁墩台与基础工程[M].北京:中国铁道出版社, 2O05.