1、2009-11-29,东南大学土木工程学院,1,研究背景,根据实验发现：土体与结构物相互接触并产生力学效应时，通常在刚度较小的土体一侧形成一定厚度的接触带（又称剪切错动带）。因此为了更好的研究荷载传递机理，采用接触面单元作为这一接触带的近似模拟，建立合理的力学模型并选择合理的力学参数，深入了解结构物-土体接触面的力学特性。 本文主要重点讲述桩-土接触面的特性以及数值模拟。,2009-11-29,东南大学土木工程学院,2,1、研究实例,国内学者针对国外学者PaoloCarrubba大直径嵌岩桩实验进行的接触面模拟,实测值- 模拟值,2009-11-29,东南大学土木工程学院,3,1、研究实例,接
2、触面在天津某工程超长桩方面的应用,2009-11-29,东南大学土木工程学院,4,1、研究实例,接触面在上海某工程灌注桩方面的应用,2009-11-29,东南大学土木工程学院,5,1、研究实例,接触面在群桩中的应用,低承台群桩p-s曲线,高承台群桩p-s曲线,2009-11-29,东南大学土木工程学院,6,2、研究现状,相互作用问题,土中各组成相之间相互作用,土体与其中的复合体的相互作用,土体与其中或者相邻的结构物相互作用,地基与上部结构的相互作用,土与结构物共同作用,只传递力，没有相对位移、错动和拉开,土体与结构物发生相对位移,2009-11-29,东南大学土木工程学院,7,2、研究现状,接
3、触面本构模型,1. 双曲线模型,2. Brandt和陈慧远弹塑性模型,3.钱家欢的接触面粘弹塑性模型,4.殷宗泽的刚塑性模型,2009-11-29,东南大学土木工程学院,8,2、研究现状,1何君毅,林样都.工程结构非线性问题的数值解法M北京:国防工业出版社,1994. 2钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算M. 北京:中国水利水电出版社,1994 3齐良锋,简浩,唐丽云.引入接触单元模拟桩土共同作用J.岩土力学,2005.26(1):127130 4吴怀忠,王汝恒,张桂福,郭文,贾彬.土与结构接触面的本构关系与数值模拟J.四川建筑科学研究,2007.(05) .5沈保汉.桩基与深基坑支护技术进展M.
4、北京:知识产权出版社,2006,2009-11-29,东南大学土木工程学院,9,3、存在的问题,通过上述介绍，我们可以看到虽然目前已经有很多接触面单元 模型的研究以及接触面单元的应用，但是由于土体和环境的复杂性，还有很多问题亟待解决。,1. 接触面模型实用性,2. 土体本构模型的选用,3. 力学参数的合理选用,4. 各有限元软件中接触面单元的参数差异性,2009-11-29,东南大学土木工程学院,10,研究方法,本文采用有限元软件MIDAS/GTS建立有限元模型。比较了在桩-土体之间设置接触面单元与否情况下桩在竖向荷载作用下沉降特性的差异，并与实际测试数据进行了对比。最后，分析了接面单元参数的
5、变化对桩顶沉降的影响。,对本文模型采用如下的假设：1. 由于桩的轴向刚度相对于土来说相当大，本文采用梁单元模拟桩。2. 桩土界面采用接触面单元，桩土一旦接触不再分离，也就是处于接触且滑动状态。3. 假设土层水平。,2009-11-29,东南大学土木工程学院,11,算例分析,某工程中，桩径为500mm，桩长为6m，考虑到模型的边界效应，模型取为20m20m20m,粗砾砂混砾卵石为持力层，桩端入持力层深度为0.4m，土体上边面为自由面，其余5个面均为固定面，桩身约束为限制其绕z轴旋转的旋转约束。,图1 有限元计算模型,2009-11-29,东南大学土木工程学院,12,算例分析,参数选取,桩的计算参
6、数为：E =30GPa，=0.17， =25.0kN/m。,土层计算参数见下表1：,表1 土层参数,2009-11-29,东南大学土木工程学院,13,算例分析,本文主要参数选取方法：,1. 接触面法向刚度 参数选取：当接触面受压时，为了模拟两边单元不会在接触面处重叠， 值 可以取一个非常大的数值，一般取1001000GN/m ，可使相互嵌入的位移小到忽略不计。本文采用1000GN/m。,2. 弹性模量和地质勘察报告提供的压缩模量之间的转换：,根据理论转换公式进行转换,根据经验和参考文献转换公式进行转换,2009-11-29,东南大学土木工程学院,14,算例分析,本文主要参数选取方法：,根据经验
7、和参考文献转换公式进行转换,同济大学认为：在上 海地区软土，土体的弹性模型 和勘察报告的压缩模量 之间满足下列关系：,MIDAS官方培训材料中给出的土体弹性模量和压缩模量之间的关系是：,2009-11-29,东南大学土木工程学院,15,数值模拟所加的荷载为2200kN,逐级加载，桩顶沉降数据见右表2：各级荷载作用下的桩顶沉降。,1、竖向荷载作用下单桩沉降分析,2009-11-29,东南大学土木工程学院,16,荷载作用下的p-s曲线如右图2。,结论：在荷载较小情况下，有无接触面，对结果影响不大。在荷载较大情况下，桩土之间设置接触面是很有必要的。,1、竖向荷载作用下单桩沉降分析,图2 荷载作用下的
8、p-s曲线,2009-11-29,东南大学土木工程学院,17,2、接触面参数对基桩变形影响,桩单元关键参数对p-s曲线影响分析：,关键参数,最终剪力,剪切模量,法向刚度,桩端承载力,桩端弹簧刚度,土体弹性模量,土体粘聚力,2009-11-29,东南大学土木工程学院,18,2、接触面参数对基桩变形影响,1. 最终剪力,最终剪力决定反弯点位置。最终剪力越小，反弯点产生的越早。,图3 最终剪力对p-s曲线的影响,2009-11-29,东南大学土木工程学院,19,2、接触面参数对基桩变形影响,2. 剪切模量,剪切模量决定反弯点位置。剪切模量越大，反弯点前的位移越小，反弯点产生的越早。,图4 剪切模量对
9、p-s曲线的影响,2009-11-29,东南大学土木工程学院,20,2、接触面参数对基桩变形影响,3. 法向刚度,法向刚度对p-s曲线没有任何影响。只有桩产生侧向位移时，法向刚度对桩土位移才有较大影响。,图5 法向刚度对p-s曲线的影响,2009-11-29,东南大学土木工程学院,21,2、接触面参数对基桩变形影响,4. 桩端承载力,桩端承载力决定反弯点以后的计算收敛性。当计算收敛时，桩端承载力对p-s曲线没有影响,图6 桩端承载力对p-s曲线的影响,2009-11-29,东南大学土木工程学院,22,2、接触面参数对基桩变形影响,5. 桩端弹簧刚度,桩端弹簧刚度直接反应了反弯点后的p-s曲线的
10、位移值。,图7 桩端弹簧刚度对p-s曲线的影响,2009-11-29,东南大学土木工程学院,23,2、接触面参数对基桩变形影响,6. 土体参数影响,土体的弹性模量减小时对沉降影响较大，弹性模量增加时对沉降影响不大。粘聚力的变化对桩沉降几乎没有影响。,图8 土体参数对p-s曲线的影响,2009-11-29,东南大学土木工程学院,24,2、接触面参数对基桩变形影响,根据上面的试验，本文对沉降影响较为显著的三个参数进行了分析，即：最终剪力，剪切模量和土体弹性模量。,2009-11-29,东南大学土木工程学院,25,2、接触面参数对基桩变形影响,最终剪力的影响,图9 最终剪力对桩顶沉降的影响,表3 最
11、终剪力对桩顶沉降的影响,2009-11-29,东南大学土木工程学院,26,2、接触面参数对基桩变形影响,剪切模量的影响,表4 剪切模量对桩顶沉降的影响,图10 剪切模量对桩顶沉降的影响,2009-11-29,东南大学土木工程学院,27,2、接触面参数对基桩变形影响,土体弹性模量的影响,图11 土体弹性模量对桩顶沉降的影响,表5 土体弹性模量对桩顶沉降的影响,2009-11-29,东南大学土木工程学院,28,结论,通过对上述问题的分析我们可以得到如下结论：(1) 当桩顶荷载水平较低时，小变形假设是成立的，在桩土之间设置接触面与否的区别不大；当桩顶荷载水平较高时，小变形假设不再成立，桩土之间设置接触面是必要的。(2) 桩土之间设置接触面，能够很好的模拟出桩顶的p-s曲线，与实测曲线吻合较好。(3) 随着最终剪力，剪切模量和土体弹性模量的逐渐增大，桩顶沉降逐渐减小，减小的幅度随着以上参数的增大而不断降低。,2009-11-29,东南大学土木工程学院,29,谢谢！,
