水平受荷单桩三维有限元模型参数分析

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）