樁土接觸面地基處理會(huì)議報(bào)告

1、2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,1,研究背景,,,根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：土體與結(jié)構(gòu)物相互接觸并產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)時(shí)，通常在剛度較小的土體一側(cè)形成一定厚度的接觸帶（又稱(chēng)剪切錯(cuò)動(dòng)帶）。因此為了更好的研究荷載傳遞機(jī)理，采用接觸面單元作為這一接觸帶的近似模擬，建立合理的力學(xué)模型并選擇合理的力學(xué)參數(shù)，深入了解結(jié)構(gòu)物-土體接觸面的力學(xué)特性。 本文主要重點(diǎn)講述樁-土接觸面的特性以及數(shù)值模擬。,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院

2、,2,,1、研究實(shí)例,國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)國(guó)外學(xué)者PaoloCarrubba大直徑嵌巖樁實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的接觸面模擬,實(shí)測(cè)值------- 模擬值,,,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,3,,1、研究實(shí)例,接觸面在天津某工程超長(zhǎng)樁方面的應(yīng)用,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,4,,1、研究實(shí)例,接觸面在上海某工程灌注樁方面的應(yīng)用,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,5,,1、研究實(shí)例,接觸面在群樁中的

3、應(yīng)用,低承臺(tái)群樁p-s曲線,高承臺(tái)群樁p-s曲線,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,6,,2、研究現(xiàn)狀,相互作用問(wèn)題,,土中各組成相之間相互作用,土體與其中的復(fù)合體的相互作用,土體與其中或者相鄰的結(jié)構(gòu)物相互作用,地基與上部結(jié)構(gòu)的相互作用,土與結(jié)構(gòu)物共同作用,,只傳遞力，沒(méi)有相對(duì)位移、錯(cuò)動(dòng)和拉開(kāi),土體與結(jié)構(gòu)物發(fā)生相對(duì)位移,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,7,,2、研究現(xiàn)狀,接觸面本構(gòu)模型,1. 雙曲線模型,2.

4、Brandt和陳慧遠(yuǎn)彈塑性模型,3.錢(qián)家歡的接觸面粘彈塑性模型,4.殷宗澤的剛塑性模型,,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,8,,2、研究現(xiàn)狀,[1]何君毅,林樣都.工程結(jié)構(gòu)非線性問(wèn)題的數(shù)值解法[M]．北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1994. [2]錢(qián)家歡,殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M]. 北京:中國(guó)水利水電出版社,1994． [3]齊良鋒,簡(jiǎn)浩,唐麗云.引入接觸單元模擬樁土共同作用[J].巖土力學(xué),2005.26(1):127~1

5、30 [4]吳懷忠,王汝恒,張桂福,郭文,賈彬.土與結(jié)構(gòu)接觸面的本構(gòu)關(guān)系與數(shù)值模擬[J].四川建筑科學(xué)研究,2007.(05) .[5]沈保漢.樁基與深基坑支護(hù)技術(shù)進(jìn)展[M].北京:知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社,2006,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,9,,3、存在的問(wèn)題,通過(guò)上述介紹，我們可以看到雖然目前已經(jīng)有很多接觸面單元 模型的研究以及接觸面單元的應(yīng)用，但是由于土體和環(huán)境的復(fù)雜性，還有很多問(wèn)題亟待解決。,1. 接觸面模

6、型實(shí)用性,2. 土體本構(gòu)模型的選用,3. 力學(xué)參數(shù)的合理選用,4. 各有限元軟件中接觸面單元的參數(shù)差異性,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,10,研究方法,,,本文采用有限元軟件MIDAS/GTS建立有限元模型。比較了在樁-土體之間設(shè)置接觸面單元與否情況下樁在豎向荷載作用下沉降特性的差異，并與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。最后，分析了接面單元參數(shù)的變化對(duì)樁頂沉降的影響。,對(duì)本文模型采用如下的假設(shè)：1. 由于樁的軸向剛度相對(duì)于

7、土來(lái)說(shuō)相當(dāng)大，本文采用梁?jiǎn)卧M樁。2. 樁土界面采用接觸面單元，樁土一旦接觸不再分離，也就是處于接觸且滑動(dòng)狀態(tài)。3. 假設(shè)土層水平。,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,11,算例分析,,,,某工程中，樁徑為500mm，樁長(zhǎng)為6m，考慮到模型的邊界效應(yīng)，模型取為20m×20m×20m,粗礫砂混礫卵石為持力層，樁端入持力層深度為0.4m，土體上邊面為自由面，其余5個(gè)面均為固定面，樁身約束為限制

8、其繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)約束。,圖1 有限元計(jì)算模型,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,12,算例分析,,,參數(shù)選取,樁的計(jì)算參數(shù)為：E =30GPa，υ=0.17，γ =25.0kN/m³。,土層計(jì)算參數(shù)見(jiàn)下表1：,,表1 土層參數(shù),2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,13,算例分析,,,本文主要參數(shù)選取方法：,,1. 接觸面法向剛度 參數(shù)選?。寒?dāng)接觸面受壓時(shí)，為了模擬兩邊單元不會(huì)在接觸面處重疊，

9、 值 可以取一個(gè)非常大的數(shù)值，一般取100~1000GN/m³ ，可使相互嵌入的位移小到忽略不計(jì)。本文采用1000GN/m³。,,,2. 彈性模量和地質(zhì)勘察報(bào)告提供的壓縮模量之間的轉(zhuǎn)換：,,根據(jù)理論轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和參考文獻(xiàn)轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,,,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,14,算例分析,,,本文主要參數(shù)選取方法：,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和參考文獻(xiàn)轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,,,同濟(jì)大學(xué)認(rèn)為：在上 海地區(qū)軟土，土體

10、的彈性模型 和勘察報(bào)告的壓縮模量 之間滿(mǎn)足下列關(guān)系：,MIDAS官方培訓(xùn)材料中給出的土體彈性模量和壓縮模量之間的關(guān)系是：,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,15,,,數(shù)值模擬所加的荷載為2200kN,逐級(jí)加載，樁頂沉降數(shù)據(jù)見(jiàn)右表2：各級(jí)荷載作用下的樁頂沉降。,1、豎向荷載作用下單樁沉降分析,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,16,,,荷載作用下的p-s曲線如右圖2。,結(jié)論：在荷載較小情況下

11、，有無(wú)接觸面，對(duì)結(jié)果影響不大。在荷載較大情況下，樁土之間設(shè)置接觸面是很有必要的。,1、豎向荷載作用下單樁沉降分析,圖2 荷載作用下的p-s曲線,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,17,,2、接觸面參數(shù)對(duì)基樁變形影響,樁單元關(guān)鍵參數(shù)對(duì)p-s曲線影響分析：,關(guān)鍵參數(shù),,最終剪力,剪切模量,法向剛度,樁端承載力,樁端彈簧剛度,土體彈性模量,土體粘聚力,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,18,,2、接觸面參數(shù)對(duì)基

12、樁變形影響,1. 最終剪力,最終剪力決定反彎點(diǎn)位置。最終剪力越小，反彎點(diǎn)產(chǎn)生的越早。,圖3 最終剪力對(duì)p-s曲線的影響,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,19,,2、接觸面參數(shù)對(duì)基樁變形影響,2. 剪切模量,剪切模量決定反彎點(diǎn)位置。剪切模量越大，反彎點(diǎn)前的位移越小，反彎點(diǎn)產(chǎn)生的越早。,圖4 剪切模量對(duì)p-s曲線的影響,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,20,,2、接觸面參數(shù)對(duì)基樁變形影響,3. 法向

13、剛度,法向剛度對(duì)p-s曲線沒(méi)有任何影響。只有樁產(chǎn)生側(cè)向位移時(shí)，法向剛度對(duì)樁土位移才有較大影響。,圖5 法向剛度對(duì)p-s曲線的影響,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,21,,2、接觸面參數(shù)對(duì)基樁變形影響,4. 樁端承載力,樁端承載力決定反彎點(diǎn)以后的計(jì)算收斂性。當(dāng)計(jì)算收斂時(shí)，樁端承載力對(duì)p-s曲線沒(méi)有影響,圖6 樁端承載力對(duì)p-s曲線的影響,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,22,,2、接觸面參數(shù)對(duì)

14、基樁變形影響,5. 樁端彈簧剛度,樁端彈簧剛度直接反應(yīng)了反彎點(diǎn)后的p-s曲線的位移值。,圖7 樁端彈簧剛度對(duì)p-s曲線的影響,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,23,,2、接觸面參數(shù)對(duì)基樁變形影響,6. 土體參數(shù)影響,土體的彈性模量減小時(shí)對(duì)沉降影響較大，彈性模量增加時(shí)對(duì)沉降影響不大。粘聚力的變化對(duì)樁沉降幾乎沒(méi)有影響。,圖8 土體參數(shù)對(duì)p-s曲線的影響,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,24,,2、接

15、觸面參數(shù)對(duì)基樁變形影響,根據(jù)上面的試驗(yàn)，本文對(duì)沉降影響較為顯著的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析，即：最終剪力，剪切模量和土體彈性模量。,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,25,,2、接觸面參數(shù)對(duì)基樁變形影響,最終剪力的影響,圖9 最終剪力對(duì)樁頂沉降的影響,表3 最終剪力對(duì)樁頂沉降的影響,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,26,,2、接觸面參數(shù)對(duì)基樁變形影響,剪切模量的影響,表4 剪切模量對(duì)樁頂沉降的影響,圖10 剪切模

16、量對(duì)樁頂沉降的影響,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,27,,2、接觸面參數(shù)對(duì)基樁變形影響,土體彈性模量的影響,圖11 土體彈性模量對(duì)樁頂沉降的影響,表5 土體彈性模量對(duì)樁頂沉降的影響,2009-11-29,東南大學(xué)土木工程學(xué)院,28,結(jié)論,,,通過(guò)對(duì)上述問(wèn)題的分析我們可以得到如下結(jié)論：(1) 當(dāng)樁頂荷載水平較低時(shí)，小變形假設(shè)是成立的，在樁土之間設(shè)置接觸面與否的區(qū)別不大；當(dāng)樁頂荷載水平較高時(shí)，小變形假設(shè)不再成立，樁土