桩土接触面地基处理会议报告.ppt

桩土接触面地基处理会议报告研究背景研究背景 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。2009-11-292 东南大学土木工程学院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2009-11-293 东南大学土木工程学院1、研究实例 接触面在天津某工程超长桩方面的应用2009-11-294 东南大学土木工程学院1、研究实例 接触面在上海某工程灌注桩方面的应用2009-11-295 东南大学土木工程学院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2009-11-296 东南大学土木工程学院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2009-11-297 东南大学土木工程学院2、研究现状接触面本构模型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2009-11-298 东南大学土木工程学院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.北京:知识产权出版社,2006 2009-11-299 东南大学土木工程学院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2009-11-2910 东南大学土木工程学院研究方法研究方法 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。2009-11-2911 东南大学土木工程学院算例分析算例分析 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。图图1 1 有限元计算模型有限元计算模型2009-11-2912 东南大学土木工程学院算例分析算例分析参数选取 桩的计算参数为：E=30GPa，=0.17，=25.0kN/m。土层计算参数见下表1：土层名称 厚度/m重度/(kN/m弹性模量/Mpa内摩擦角粘聚力/kPa泊松比耕填土0.816.52518180.4粉质粘土1.219.542.518250.35粘土1.219.5702025.50.35粉质粘土1.220.5403031.50.3粉质粘土1.218.5201827.40.35粗砾砂混砾卵石5.019.510040100.25表表1 1 土层参数土层参数2009-11-2913 东南大学土木工程学院算例分析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2009-11-2914 东南大学土木工程学院算例分析算例分析本文主要参数选取方法：根据经验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：2009-11-2915 东南大学土木工程学院 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2009-11-2916 东南大学土木工程学院 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图2 2 荷载作用下的荷载作用下的p-sp-s曲线曲线2009-11-2917 东南大学土木工程学院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2009-11-2918 东南大学土木工程学院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。图图3 3 最终剪力对最终剪力对p-sp-s曲线的影响曲线的影响2009-11-2919 东南大学土木工程学院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。图图4 4 剪切模量对剪切模量对p-sp-s曲线的影响曲线的影响2009-11-2920 东南大学土木工程学院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。图图5 5 法向刚度对法向刚度对p-sp-s曲线的影响曲线的影响2009-11-2921 东南大学土木工程学院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曲线没有影响图图6 6 桩端承载力对桩端承载力对p-sp-s曲线的影响曲线的影响2009-11-2922 东南大学土木工程学院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曲线的位移值。图图7 7 桩端弹簧刚度对桩端弹簧刚度对p-sp-s曲线的影响曲线的影响2009-11-2923 东南大学土木工程学院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。图图8 8 土体参数对土体参数对p-sp-s曲线的影响曲线的影响2009-11-2924 东南大学土木工程学院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。2009-11-2925 东南大学土木工程学院2、接触面参数对基桩变形影响最终剪力的影响图图9 9 最终剪力对桩顶沉降的影响最终剪力对桩顶沉降的影响表表3 3 最终剪力对桩顶沉降的影响最终剪力对桩顶沉降的影响2009-11-2926 东南大学土木工程学院2、接触面参数对基桩变形影响剪切模量的影响表表4 4 剪切模量对桩顶沉降的影响剪切模量对桩顶沉降的影响图图10 10 剪切模量对桩顶沉降的影响剪切模量对桩顶沉降的影响2009-11-2927 东南大学土木工程学院2、接触面参数对基桩变形影响土体弹性模量的影响图图11 11 土体弹性模量对桩顶沉降的影土体弹性模量对桩顶沉降的影响响表表5 5 土体弹性模量对桩顶沉降的影响土体弹性模量对桩顶沉降的影响2009-11-2928 东南大学土木工程学院结论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。2009-11-2929 东南大学土木工程学院谢谢！2009-11-2930 东南大学土木工程学院谢谢观赏！2020/11/531