考虑接触效应的高层建筑桩-土相互作用分析

摘要

随着我国城市化进程的加快，高层建筑发展迅猛。而桩基础往往又是高层建筑地基处理的首选方式，因而桩-土相互作用的研究也越来越受到人们的重视。在桩-土相互作用的研究中，仍有不少问题亟待解决，特别是桩-土界面处滑移、开裂等性状模拟，已成为相互作用研究的热点和难点之一。本文在总结前人研究结果的基础上，对利用无厚度接触单元时桩-土相互作用的有限元计算方法做了一些研究，其中包括接触单元本构模型的选择，接触单元参数的选择及其对桩-土相互作用的影响等。主要完成的工作包括以下几个方面： 1、总结接触问题的研究现状，介绍了几种常用的接触单元和接触单元本构模型，对有限元中接触单元的力学机理和计算方法进行了总结。 2、建立纯摩擦桩有限元计算模型，并将有限元计算的结果与实测结果进行对比分析，验证了无厚度接触单元对发生在桩、土界面上的破坏情况能做出较好的定性模拟，证明了用无厚度接触单元模拟桩、土间滑移、破坏是可行的。 3、利用大型有限元分析软件ANSYS建立了桩-土相互作用的计算模型，利用该模型对接触单元的参数进行研究，得出参数取值的一般规律及其对桩土间的荷载传递，单桩沉降和承载力的影响。同时也讨论了桩、土性质对单桩沉降和承载力的影响。 4、研究初始地应力场的实现及其对桩、土相互作用的影响。本文对考虑初始应力场及不考虑初始应力场的桩侧摩阻力分布，桩、土荷载传递、单桩沉降和承载力等做了对比分析，给出了初始地应力场对桩、土间相互作用计算的影响是不可忽略的这一结论。同时，将考虑桩、土间滑移接触效应时的计算结果与不考虑桩、土间滑移的计算结果进行了对比分析。

目录

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致谢

1绪论

1.1问题的提出

1.2桩土相互作用的研究现状和计算理论

1.3桩-土-结构相互作用中接触问题的提出

1.3.1接触问题的提出

1.3.2接触问题研究的历史和现状

1.4本文的主要研究工作

2土与结构接触问题的力学机理

2.1接触问题对不连续面的力学描述

2.1.1接触面条件

2.1.2离散化接触界面条件

2.2接触问题的分析方法

2.3接触问题的有限元计算方法

2.3.1接触面单元研究现状

2.3.2几种典型的接触单元

2.3.3接触面本构模型

2.3.4接触问题的弱形式

2.3.5接触约束算法

2.4本章小结

3桩-土相互作用计算的有限元实现

3.1 ANSYS中接触问题的算法

3.2 ANSYS中的接触单元

3.3接触面参数取值

3.3.1法向接触刚度和切向接触刚度的取值

3.3.2接触面摩擦系数的取值

3.4材料的本构模型

3.4.1桩体的本构模型

3.4.2土体本构模型

3.5本章小结

4无厚度接触单元对桩土相互作用的算例分析

4.1计算实例

4.1.1模型的选取

4.1.2有限元计算模型的建立

4.2计算结果及分析

4.2.1单桩荷载-沉降曲线

4.2.2桩-土相对位移

4.3本章小结

5无厚度接触单元对桩-土相互作用的影响参数分析

5.1单桩模型及相关参数

5.2接触单元法向刚度对桩-土共同作用的影响

5.3接触单元切向刚度对桩土共同作用的影响

5.4摩擦系数对桩-土共同作用的影响

5.5桩的特性对桩-土相互作用的影响

5.6土的特性对桩-土相互作用的影响

5.6.1土的压缩模量和泊松比对单桩沉降及承载力的影响

5.6.2土的内摩擦角和粘聚力对单桩沉降及承载力的影响

5.7初始地应力对桩-土相互作用的影响

5.8未考虑相互作用时的单桩承载力

5.9接触面状态随荷载的变化

5.10本章小结

6结论

6.1本文主要结论

6.2对进一步研究的展望

参考文献

作者简历