桩土作用对桩基水平承载力影响的非线性有限元分析

摘要

桩基作为工程建设中的主要基础型式之一，无论是在建筑工程中，还是在港口工程中，其往往以群桩的形式出现。当前随着开敞式码头、跨海大桥、海洋石油平台的建设，在港口及海洋桩基工程领域中，桩基的水平承载力作用起到了至关重要的作用，故而对水平受荷群桩基础的特性分析与研究是十分必要的。由于水平静载试验受工期、费用、试验设备及试验条件的限制，很难对水平受荷群桩基础特性做一个深入的分析。本文应用国际上通用的大型有限元软件ANSYS建立多种工况下的有限元模型，对水平受荷群桩基础的承载特性做了较为深入的分析与研究，并提出了一些有益的结论与建议，以便更好指导以后的工程实践。 本文首先回顾和总结了目前对水平受荷群桩基础特性分析的研究现状、有限元的基本理论并对有限元软件ANSYS简略介绍。其次考虑土体的复杂性状和桩土相互作用对水平受荷群桩基础特性的影响，选择合适的土体本构关系模型和接触非线性单元来模拟桩土之间的力学行为；最后通过调整桩的入土深度L，土体模型边界尺寸以及划分网格的大小，并引入桩土接触摩擦单元，建立合理的数值分析模型。 通过对多种工况水平受荷群桩基础的数值模型进行运算，并对相关数据进行整理，得到桩的入土深度L、桩径D、土体弹性模量Es、桩间距S、桩数D等因素对水平受荷群桩基础特性的影响，重点是对位移群桩效应的影响。本文认为在桩的入土深度、桩径、土体弹性模量、桩间距、桩数等因素中，桩距和桩数 对水平受荷群桩基础位移的影响比较显著，而桩的入土深度、桩径、土体弹性模量等因素则对位移的影响不大。在受荷方向上，8倍桩径的桩距是群桩效应的临界桩距，当桩距 大于该临界值时，基本无群桩效应，且当桩数大于4时，桩距的影响不大；而在非受荷方向，桩距大于（2～3）倍桩径时，可不考虑群桩效应。 桩的入土深度 是影响水平受荷群桩基础可靠性和经济性的重要参数。三维有限元分析研究发现，不论是单桩还是群桩均存在着一个临界桩的入土深度，当桩的入土深度 超过该临界值时，即使增加桩的入土深度，桩的承载特性改变甚微，而且水平受荷群桩基础的临界长度大于相应的单桩的临界长度值，28倍桩径的桩的入土深度 是群桩的临界桩的入土深度，设计时应选取临界桩的入土深度 作为设计桩的入土深度的上限值。 对一定荷载作用下的水平受荷群桩位移的影响除了大家所熟知的桩径、桩的入土深度、桩间距，桩数 外，还有土的弹性模量 。间距、桩数 对一定荷载作用下的水平受荷群桩位移的影响较大，但桩径、桩的入土深度、以及土体弹性模量的影响不容忽视，因而根据计算所得出的结果数据综合考虑几个影响因素，对有限元计算所得的数据结果进行分析整理，并通过相关数据处理分析软件对已有数据进行拟合分析，本文提出了一定荷载作用下的水平受荷群桩位移的计算公式： 同时考虑到土体的非线性特征和位移群桩效应的影响，引入了三个参数。桩长L的变化对水平受荷群桩基础位移的影响是非线性的。为了反映桩长的这种非线性性质，本文引入了参数 来反映桩的入土深度的非线性影响以及群桩效应的影响。通过比较发现本文水平受荷群桩基础位移计算公式对桩的入土深度的模拟精度是比较好的，同时我们也发现对其它几个影响因素的模拟精度较为良好。鉴于本文缺少足够的试验资料进行分析对比，其有效性和准确性有待工程实际进一步验证。 对于水平受荷群桩基础设计而言，在一定的承载力和位移控制标准下，如何选择适当的桩径、桩数和桩距 以实现水平受荷群桩基础的优化设计是一个需要周密考虑的问题。在一般情况下，桩径、桩距变化不大，可根据所处工程地质合理选取桩数和桩的入土深度 是设计中应当重点解决的问题。