广义位移法在土-结构相互作用问题分析中的应用

对目前土 -结构相互作用的有限元法数值建模中的若干不足进行了评述。通过深入分析土 -结构相互作用的力学机制 ,指出 :在相互作用体系中 ,由于两者之间悬殊的刚度 ,接触界面上公共节点的位移将受到结构本身变形性态的影响 ,在假设接触界面变形协调的前提下即是要求这些点的位移都应服从结构体变形的位移模式 ;因此 ,土 -结构相互作用整体有限元数值模拟的关键在于如何较好地反映由于土中结构体刚度条件而导致的、对周围土体变形所施加的一种约束条件。针对桩 /板筏与地基土的两类土结构相互作用问题 ,根据梁、板的工程弹性理论分别建议了桩 /筏基础结构的广义位移模拟方法。     

桩-土作用机理与数值模拟

桩-土间相互作用机理的研究是保证桩基础在建筑荷载作用下安全稳定的关键。在分析桩-土间相互作用的基础上,利用有限元分析软件ANSYS中的Structural模块先进的非线性功能,进行桩的有限元分析,对桩-土间相互作用方式进行了数值模拟研究。建立了完整的桩模型,并建立弹簧单元以及表面效应单元以模拟土层对桩的作用力,得到了在建筑荷载和土层作用力下桩的位移量及其轴向应力分布,为建筑基础设计提供理论依据。     

桩筏基础桩-土相互作用的数值分析

利用ABAQUS对3D桩距和6D桩距的桩筏基础进行了三维弹塑性分析.通过无厚度的接触面单元模拟桩-土之间的非线性接触特性,采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型描述土的非线性特性,桩取为弹性,得到了沉降、桩土荷载分担比、板底土附加应力等变化情况,并对二者进行了对比分析.分析结果基本反映了桩-土-筏的实际工作性状,验证了复合桩基理论的正确性.     

变长度桩-筏地基沉降特性数值模拟

依托某高速铁路DK150+180~DK150+185段软土路基工程实例,分析了该里程区间水文地质条件特点,结合有限差分法分析软件FLAC-3D建立"CFG桩+褥垫层+筏板"复合地基三维数值模型,对改变桩长条件下桩-筏复合地基随动态填土荷载作用下的沉降特性进行对比研究,结果表明:随填筑荷载增加,桩-筏复合地基各结构协调工作是个动态平衡过程;因桩-土之间存在刚度差异,桩顶应力集中程度及沉降均大于桩间土,且路基中心形成沉降"槽",最大沉降值约65mm左右;随桩长度增加桩顶与桩间土沉降逐渐减小;桩长度从15m增至21m,沉降随桩长增加减小幅度趋势较快,而桩长超过21m后,沉降随桩长增加减小幅度趋势缓慢,侧面说明软土地区采用桩-筏复合地基处理措施时桩长易控制在15~21m。     

桩-土-桥相互作用对隔震连续梁桥地震响应的影响

随着隔震技术在桥梁结构中的广泛应用,建立合理的桥梁模型进行隔震分析十分重要。以某连续钢箱梁桥为对象,建立了墩底固结不考虑桩土、M法桩和非线性有限元桩的三种桥梁模型,通过对这三种桥梁模型进行隔震前后的地震响应分析,以研究桩-土-结构相互作用对不隔震和隔震桥梁的影响。研究表明:考虑桩-土相互作用对该桥梁隔震前、后的地震响应都具有较大的放大效应,非线性有限元桩桥梁模型的放大效应大于M法桩的桥梁模型;三种模型的隔震率相差不大,不考虑桩-土-桥梁结构相互作用不会对隔震率产生过大估计。     

考虑固结和流变的土-单桩-筏共同作用研究

利用Biot固结理论和积分方程研究了考虑流变的饱和土–单桩–筏的共同作用问题,首先应用积分变换方法得出了半空间表面作用环形荷载时的基本解、基于半空间表面作用环形荷载的基本解、半空间表面作用圆形荷载的基本解以及桩–土、筏板–土变形协调条件得出了饱和土–单桩–筏板共同作用在时间域内的第二类Fredholm积分方程。运用Laplace变换对上述积分方程进行简化,求解积分方程并进行相应的数值逆变换即可得单桩的位移、轴力、孔压以及筏板与土的接触正应力随时间的变化情况。     

层状场域内桩-土-上部结构的整体动力有限元模拟

利用整体动力有限元方法 ,在考虑了模型的边界效应和桩土界面的滑移、接触非线性行为的基础上 ,较全面地研究了层状土域中桩基上下部结构的惯性相互作用和运动相互作用两种基本效应。通过实例计算表明 :土的分层和桩土非线性共同作用可以明显降低体系的动力加速度峰值和层间位移反应 ,而且土与桩的脱离与闭合对桩土刚体相互作用的影响较大     

桩-土界面摩擦对静压桩挤土效应的影响分析

采用合适的土体屈服准则及有限变形理论，通过在桩-土界面设置接触以及在桩顶施加位移荷载建立了符合压桩实际的有限元模型。利用得到的有限元模型模拟了沉桩产生的挤土位移场，讨论了桩-土界面不同摩擦情况对沉桩产生位移场的影响。并对桩-土相互作用及水平向孔扩张的2种有限元模型进行了对比，结果表明，考虑桩-土相互作用及其摩擦情况是正确模拟静压桩挤土效应的关键。     

考虑土体固结的桩-土-承台非线性共同作用程序实现

提出了基于固结有限层的考虑土体固结的桩-土-承台非线性共同作用分析方法.在此基础上,介绍了相应的计量程序CPRI的实现过程,给出了主程序计算框图和桩土承台支撑体系计算子程序框图.通过程序PRI检验和算例分析,验证了程序的正确性.程序CPRI可以给出不同时刻桩-土-承台支撑体系的竖向位移、孔压、桩项反力和土体反力变化的情况,从而模拟了非线性共同作用下固结的全过程.     

软土场地上双柱式桥墩-桩-土相互作用体系地震反应特性的数值分析

以某高速公路桥梁的双柱式桥墩-桩-土相互作用体系为研究对象,采用有限差分软件FLAC3D,通过输入唐山大地震时迁安地震波记录,对双柱式桥墩-桩-土相互作用体系的地震反应进行了三维数值分析,比较了横向与纵向地震时墩柱和桩的地震反应特性,讨论了深厚软土场地上双柱式桥墩-桩-土动力相互作用以及横、纵两个方向的地震波对桥墩地震反应的影响.分析结果表明:不同方向的水平地震时,地面以上墩柱的剪力和水平位移有较大的不同.     

苏州河河口水闸三维固结有限元计算

对苏州河河口水闸的整体设计作了简要介绍，采用空间Biot非线性固结有限元模型，考虑地基的固结过程，在有关位置设置软弱化接触单元，计算分析了挡潮和挡河两种工况下地基的变形对水闸结构的影响、闸墩和混凝土沉箱闸底板随时间变化的变形规律以及基础桩受力等共同作用问题。计算结果表明：挡潮工况是控制工况：闸墩基础的沉降和桩的反力均随着土体的固结而增加，但差异沉降很小，角桩的反力大于内部桩的反力。这同时也说明该水闸的设计是巧妙而合理的，计算模型、相应计算参数足正确的。     

群桩在水流冲刷影响下的承载性状研究

利用三维非线性有限元程序模拟分析群桩基础在水流冲刷条件下的承载性状。采用特殊土单元法考虑水流冲刷作用,避免了传统有限元程序计算中一些复杂、繁琐的工作。通过冲刷和不冲刷两种状态下桩基承载性状的对比,分析水流冲刷后群桩基础承载性状的变化情况,得出一些有益结论,同时也说明该方法能较好地模拟桩基中水流冲刷的作用,并针对实际工程的设计计算提出部分建议和意见。     

桩土-基础底板-上部结构协同的实用分析方法与应用

在考虑上部结构-基础底板-桩土协同作用分析方法的研究基础上,提出了一种较为实用的计算方法:采用Poulos解或Geddes解分析桩土刚度,用Reissner厚板理论计算底板内力与变形,用有限元法分析上部结构。该方法能考虑桩土变刚度、底板变厚度、抗拔桩、不均匀土层、网格自动剖分等因素,解决实际工程中遇到的各种复杂问题的计算。在上海环球金融中心工程中,用该方法得到了桩顶的反力、基础沉降、底板内力等计算结果,据此进行地基基础的设计及变形、内力实测的布置。     

筏板-桩-土相互作用的三维弹塑性有限元分析

通过无厚度的接触面单元模拟筏板–桩–土之间的非线性接触特性,同时采用Drucker-Prager弹塑性本构模型描述土的非线性特性,对桩筏基础进行了三维弹塑性有限元分析,得到了筏板–桩–土接触表面上法向应力和摩擦应力的分布以及桩周土体塑性变形发展情况。在此基础上,对筏形基础中筏板和桩的承载力分担比进行了分析。计算结果表明,随外荷载的增大,桩的承载力分担比增大,筏板的承载力分担比减小,但两者的变化幅度不大。     

疏桩基础的受力性状分析

在桩土之间设置接触面单元对疏桩基础(桩间距≥6d)用有限元法进行分析.考虑筏板、桩与地基之间相互作用,建立三维的相互耦合的20节点实体单元-16节点接触面单元-8节点板单元数值计算模型,分析桩长、桩间距以及筏板厚度对疏桩基础的受力影响.得出一些规律性结论,便于认识疏桩基础的受力机理.     

群桩与土和承台结构非线性相互作用机理的数值分析

利用ABAQUS对常规桩筏基础(3D桩距)和复合桩基(6D桩距)进行了三维弹塑性分析。利用无厚度接触面单元模拟筏板—桩—土的非线性接触特性,采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型描述土的非线性特性,桩取为弹性。得到了沉降,桩土荷载分担比、桩周土体水平位移变化情况,并对二者进行了对比分析。分析结果基本反映了桩—土—筏的实际工作性状,验证了复合桩基理论的正确性。     

基于薄环层元法的层状地基中摩擦桩竖向受荷计算

基于薄环层元法和虚土桩假设,提出了层状地基中竖向受荷摩擦桩计算模型。将桩身正下方至基岩间的土层视为虚土桩,并将桩土体系划分为多个薄层单元;随后利用虚位移原理求得薄环单元和桩单元的单元矩阵方程,并根据单元间平衡关系建立整体矩阵方程;最后通过桩与桩周土的协调关系,计算出层状地基中桩土体系位移。计算结果与已有方法结果吻合良好,验证了本文的正确性与可靠性。参数分析表明,计算单元厚度越小,精度越高;三层地基中的摩擦桩,中间夹层模量越大,其分担的荷载越多。桩端下卧土层厚度越小,桩端刚度越大。当桩端土厚度小于0.3倍地基厚度时,桩端刚度显著增大。当桩端以下土体分层时,桩端刚度与持力层厚度和强度密切相关。     

考虑共同作用下的筏板基础厚度的设计方法研究

由于工程界中对于筏板基础缺少研究,不了解其具体的受力特性,在筏板基础设计方面缺乏成熟的设计理论和计算方法,筏板基础仍按常规筏基的设计方法进行设计,往往造成筏板过厚,使基础造价过高,产生很大的浪费。根据高层建筑上部结构、基础和地基共同作用的基本原理,提出一种筏板基础的计算方法,考虑了多种因素影响,比较符合基础的实际受力状况。本文研究了空间框架-筏板-地基共同作用时筏板基础的受力和变形性能,并利用有限元方法完成三维模型的数值分析。应用筏板基础的非线性分析方法,考察了影响筏板基础受力性能的混凝土强度等级、筏板基础厚度以及筏土刚度比等因素对筏板基础的受力特性的影响,通过数值计算,对筏板基础的优化设计进行了分析。通过这些结论对设计提出有利的建议,从理论上可以使筏基达到优化设计的目标,其直接结果可以使筏板减薄,降低基础造价。     

上部结构-筏-桩-地基共同作用分析的新方法

本文提出一种研究上部结构-筏-桩-地基共同作用分析的新方法,尤其是筏基分析方法新颖,比之有限元方法优越。计算结果与实测数据有较好的一致性。利用本文方法可求得上部结构和桩土结点的反力,筏基中任意点的弯矩、扭矩、正应力和剪应力。本文对共同作用机理进行分析,得出了可供工程设计人员参考的有益结论,例如,抽桩分析,可期获得可观的经济效益。     

群桩工作机理的数值分析

对桩和近域土体采用有限元分析,桩土之间加设接触面单元来模拟桩土之间的相对沉降,对远域土体采用无限单元来模拟。混凝土单元和无限单元采用弹性分析,近域土体采用K~G模型及Duncan-zhang(E~μ)模型来模拟九桩低承台群桩的工作机理,并与实测值相比较、分析,证明方法是合理的。