水平受荷单桩三维有限元模型参数分析
2011-11-20胡婷婷陈木胜伍腾峰
胡婷婷 陈木胜 伍腾峰
(1 湖南科技学院 土木工程与建设管理系,湖南 永州 4251001;2 化工部长沙设计研究院,湖南 长沙 410116)
水平受荷单桩三维有限元模型参数分析
胡婷婷1陈木胜2伍腾峰1
(1 湖南科技学院 土木工程与建设管理系,湖南 永州 4251001;2 化工部长沙设计研究院,湖南 长沙 410116)
利用有限元分析软件ANSYS,建立了水平受荷单桩非线性三维有限元模型,经过试算,对模型参数(土体单元,桩-土界面接触形式,接触单元的刚度,土体模型的边界尺寸)的选取进行了分析,得到一些结论。这些结论对数值方法在桩-土相互作用分析中的应用具有一定的参考价值。
桩-土相互作用;水平受荷单桩;有限元分析;接触单元
由于桩-土相互关系错综复杂,影响因素较大,随机性很大,对水平荷载下桩基础的工作性状和破坏机理的研究,多限于实验室模型和现场原位试验。
随着计算技术的发展,以有限元为代表的数值分析方法得到越来越多的应用。但数值分析方法中存在几个难题:①地基土的本构模型问题;②计算模型边界处理问题;③模型边界尺寸的选取;④桩—土界面接触问题;⑤后处理问题等。只有解决以上问题,有限元法才能较为真实地模拟水平受荷桩-土体系的非线性静力响应。
本文根据现场原位试验的相关参数,针对以上几个问题建立水平受荷单桩非线性三维有限元模型,分析有限元参数对计算精度的影响。
1 、模型单元选择
(1)土体与桩身单元选择
土体及桩身单元均采用SOLID45单元,单元由8个节点结合而成,每个节点有三个沿坐标 、 、z的平移自由度,单元具有塑性、膨胀、应力强化、大变形和大应变的特征[1]。
(2)桩—土界面接触单元
本模型利用ANSYS中的面—面接触单元来考虑桩—土之间的滑移与分离。相对其他界面接触方式,面—面接触具有以下优点:(1)支持低阶和高阶单元;(2)支持有大滑动和摩擦的大变形、协调刚度阵计算和单元提供不对称刚度阵的选项。(3)没有刚体表面形状的限制;(4)需要较少的接触单元,因而需要较小的磁盘空间和较少的计算时间。
在面—面接触中,桩身作为目标面,用目标单元TARGE170模拟;土体作为接触面,采用接触单元CONTACT173来模拟。目标面和接触面一一对应形成一个个接触对,模拟桩—土界面状态[2]。
2 、桩—土界面接触处理
ANSYS中接触单元的性质主要由接触单元的法向刚度因子FKN、切向刚度因子FKT、初始渗透因子FTOLN以及渗透限值控制[3]。
所有接触问题都需要定义接触刚度,两个表面之间的渗透量的大小取决于接触刚度。ANSYS会根据接触中两种不同材料的材料性质估计一个缺省刚度值,而这个缺省刚度往往与模型中所需要的接触刚度有一定差距。
本模型为获取一个合理的接触单元法向刚度,进行了大量的试算,结果如图1所示。
结果表明,当FKN值≥5时,接触单元刚度对结果影响较小,但FKN值>13时,容易发生因节点不平衡力和位移增量超过限值,造成计算收敛困难。在计算模型中,接触单元的法向刚度因子(FKN值)取为8。
本模型采用Coulomb摩擦来处理桩—土界面的摩擦问题,参照Akihiko Wakai(1999)[4]建议,选取摩擦系数为tan(25),接触单元切向刚度采用ANSYS定义的缺省刚度值[5]。
图1 接触单元刚度试算
3 、模型边界选取
为了取得合理的边界大小,进行了一系列的试算。试算的原则是:单桩基础的桩头侧移,不随边界尺寸的增减而有明显的变化。如图 2所示,为时,桩头侧移随计算模型边界深度改变的变化曲线。当边界深度与桩长之比Z / L ≥ 1 .4时,桩头位移趋于稳定。如图3所示,为时,桩头侧移随计算模型边界宽度改变的变化曲线。当边界宽度与桩径之比 B / D ≥ 2 5时,桩头位移趋于稳定。综上所述,分别选取1.4L(L为桩长)、(D为桩径)作为计算模型的边界深度和边界宽度。
图2 边界深度试算
图3 边界宽度试算
4 、模型验证
在利用数值方法进行分析时,计算模型的正确性与可行性非常重要,是进行下一步研究的基础。将数值模型计算结果与试验实测值进行比较,以验证模型的正确性。
经过计算,得到荷载—桩头位移曲线,将其与试验曲线进行比较,如图4所示。图5为有限元模型计算的弯曲应变与Saito(1993)[5]原位试验实测值对比图。
图4 荷载—桩头位移
图5 桩身弯曲应变
由图4与图5可看出,计算结果与试验实测曲线吻合较好,从而验证了建立的三维有限元模型所选参数的合理性。
5 、结论
本文利用有限元分析软件ANSYS,建立了水平受荷单桩非线性三维有限元模型,经过试算,对模型的参数进行了分析,得到以下结论:(1)土体单元采用SOLID45单元能较好的模拟土体性质;(2)桩—土界面接触单元采用面—面接触单元来考虑桩—土之间的滑移与分离,接触单元的法向刚度因子FKN取值在5~13,能较为真实地模拟桩土界面的特性;(3)为了在保证计算精度的前提下,减小计算规模,取得合理的边界大小,建议分别选取1.4L(L为桩长)、25D(D为桩径)作为计算模型的边界深度和边界宽度。以上结论对数值方法在桩-土相互作用分析中的应用具有一定的参考价值。
[1]郝文化.ANSYS在土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.
[2]陈铖,刘忠,单桩横向非线性静力响应的三维有限元数值模拟[J].湘潭大学学报(自然科学版),2005,(1).
[3]张慧;杨敏;李琳.ANSYS二次开发技术在侧向受荷桩土分析中的应用[A].第二届全国岩土与工程学术大会论文集(上册)[C].2006.
[4]Akihiko Wakai,Shingo Gose and Keizo Ugai,3-D Elastic-plastic Finite Element Analysis of pile Foundations Subject to Lateral Loading,J.Geot.Engng, 1999, 39(1).
[5]Saito A, Hanko M,Gose,and Yi, F. (1993):“A study of pile foundation behavior at large-scale horizontal deformation,”Structural Engineering Letters, JSCE, Vol. 39A, pp. 1395-1407.
TU1
A
1673-2219(2011)08-0065-03
2011-03-20
胡婷婷(1983-),女,湖北随州人,助教,研究方向为桩与土相互作用。
(责任编校:何俊华)