ANSYS在模拟桩土接触中的应用
作者：王先军;周文宇;蒋鑫
作者机构：东北林业大学,哈尔滨,150040;东北林业大学,哈尔滨,150040;东北林业大学,哈尔滨,150040
来源：森林工程
ISSN：1001-005X
年：2006
卷：022
期：003
页码：49-51
页数：3
中图分类：TU473.12
正文语种：chi
关键词：桩土体系模型;计算理论;参数选择;工程实例;对比分析
摘要：建立了一个桩土接触面体系的有限元模型,并对其计算理论进行分析;结合某大直径钻孔灌注桩工程实例,分析了桩土模型的荷载-沉降曲线及荷载的传递规律.通过与桩基静载试验数据对比,得出有限元模拟结果与实测值相近.分析结果对以后桩土模拟及设计有重要参考价值.
用M I D A S模拟桩土相 互作用 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
用MIDAS模拟桩-土相互作用（“m法”确定土弹簧刚度） 北京迈达斯技术有限公司 2009年05月 2
1、引言 土与结构相互作用的研究已有近60～70年的历史，待别是近30年来，计算机技术的发展为其提供了有力的分析手段。桩基础是土建工程中广泛采用的基础形式之一，许多建于软土地基上的大型桥梁结构往往都采用桩基础，桩-土动力相互作用又是土-结构相互作用问题中较复杂的课题之一。至今已有不少关于桩基动力特性的研究报告，国内外研究人员也提出了许多不同的桩-土动力相互作用计算方法。从研究成果的归类来看，理论上主要有离散理论和连续理论及两者的结合，解决的方法一般有集中质量法、有限元法、边界元法和波动场法。 60～70年代，美国学者J.penzien等在解决泥沼地上大桥动力分析时提出了集中质量法，目前已在国内外得到了广泛的应用。集中质量法将桥梁上部结构多质点体系和桩一土体系的质量联合作为一个整体，来建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解。该模型假定桩侧土是Winkler连续介质。以半空间的Mindlin静力基本解为基础，将桩-土体系的质量按一定的厚度简化并集中为一系列质点，离散成一理想化的参数系统。并用弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质，形成一个包括地下部分的多质点体系。 土弹簧刚度的确定，除考虑使用较为精确的有限元或边界元方法外，较为简便的方法是采用Penzien模型中提供的土弹簧计算方法或参照现行规范中土弹簧的计算方法。我国公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)用的“m 法”计算方法和参数选取方面比Penzien的方法要简单和方便，且为国内广大 3
/config,nres,2000000 /units,si !国际单位制 fk1=1!法向接触刚度 ftoln=0.1!初始渗透因子 /prep7 et,1,solid45 A=3.14*0.3*0.3 cylind,0,0.192,0,11,0,90 !旋喷桩上部内侧v1 cylind,0.192,0. 2,0,11,0,90!钢管v2 cylind,0.2,0.3,0,11,0,90 !旋喷桩上部外侧v3 cylind,0,0.3,11,22,0,90 !旋喷桩下部v4 cylind,0.3,1.5,0,2.6,0,90 !2.6m淤泥质粉质粘土v5 cylind,0.3,1.5,2.6,7.92,0,90 !5.32m粉土v6 cylind,0.3,1.5,7.92,16.3,0,90 !8.38m淤泥v7 cylind,0.3,1.5,16.3,18.67,0,90!2.37m粉质粘土v8 cylind,0.3,1.5, 18.67,20.47 ,0,90!1.8m粉质粘土v9 cylind,0.3,1.5, 20.47,25.3 ,0,90!4.83m粉土v10 cylind,0,0.3,22,42,0,90 !桩底内侧20m粉质粘土v11 cylind,0.3,1.5,25.3,42,0,90 !桩底外侧20m粉质粘土v12 allsel,all vsel,s,,,2 mp,ex,2,2e11 !钢管 mp,nuxy,2,0.3 mp,dens,2,7850 allsel,all vsel,s,,,1,4 vsel,u,,,2 mp,ex,3,1.5e8 mp,nuxy,3,0.2 mp,dens,3,2131 !tb,concr,3 !水泥土破坏模型，材料属性 !tbdata,,0.7,0.9,0.3e6,2e6!张开裂缝的剪力传递系数 ,闭合裂缝的剪力传递系数 ,单轴抗拉强度, 单轴抗压强度 allsel,all vsel,s,,,5 vplot mp,ex,5,3e6 !淤泥质粉质黏土 mp,nuxy,5,0.35 mp,dens,5,1950 !mp,mu,5,0.633 !设置摩擦系数为0.633 tb,dp,5 !土层5的D-P参数
岩土桩土相互作用土弹簧刚度计算方法
一、引言 对于城市高架桥梁、 大跨桥梁等桩承重要工程结构， 除保证其上部结构的抗震安全性外， 在遭受大地震作用时避免其基础受损也十分重要。 近几年国外发生的大地震 （如日本神户地 震等）的震害表明，坐落在软弱土层上的桥梁桩基的震害十分突出，桩土相互作用这一课题 又引起了人们的重视。 对于基础坐落在软弱土层上的桥梁结构来说， 在地震发生时， 桥梁上部结构的惯性力将 通过基础反馈给地基， 使地基产生局部变形。 同时， 地基自身也会因地震力作用而发生变形， 反过来影响上部结构的反应。 这即所谓地基一结构系统的相互作用。 考虑地基一结构系统的 相互作用的影响， 不仅可以更准确地掌握桥梁上部结构的地震反应， 对于正确计算土中基础 的内力和变形也十分必要。 土与结构相互作用的研究已有近 60～70 年的历史， 待别是近 30 年来， 计算机技术的发 展为其提供了有力的分析手段。 桩基础是土建工程中广泛采用的基础形式之一， 许多建于软 土地基上的大型桥梁结构往往都采用桩基础， 桩一土动力相互作用又是土一结构相互作用问 题中较复杂的课题之一。 至今已有不少关于桩基动力特性的研究报告， 国内外研究人员[1-8] 也提出了许多不同的桩一土动力相互作用计算方法。 从研究成果的归类来看， 理论上主要有 离散理论和连续理论及两者的结合，解决的方法一般有集中质量法、有限元法、边界元法和 波动场法。 60～70 年代，美国学者 J.penzien[9]等在解决泥沼地上大桥动力分析时提出了集中质量 法， 目前已在国内外得到了广泛的应用。 集中质量法将桥梁上部结构多质点体系和桩一土体 系的质量联合作为一个整体， 来建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解。 该模型假定 桩侧土是 Winkler 连续介质。以半空间的 Mindlin 静力基本解为基础，将桩一土体系的质量 按一定的厚度简化并集中为一系列质点， 离散成一理想化的参数系统。 并用弹簧和阻尼器模 拟土介质的动力性质，形成一个包括地下部分的多质点体系。 PenZien 方法的优点是可以方便地考虑成层土的非均匀性，非线性和阻尼特性等因素。 其计算力学图式中，上下部结构均采用多质点有限元体系，便于直观理解。同时计算比较简 便，经过适当的参数调整，该模型可以较好地反映桩的动力性能，因而在桩基桥梁抗震计算 的实际工程中应用极广。 桥梁桩基础的抗震设计目前还主要采用静力的方法， 土对桩基的作用通过一组等效的弹 簧来表示。最近，日本等多地震国家的规范已开始建设使用 pushOver 的方法。该方法虽为 一种非线性的静力分析方法， 但可以等效地反应结构与土相互作用的主要动力特性， 而且计 算简单，便于应用于工程设计。包括桩基在内的桥梁系统的 PushOver 计算除考虑上部结构 惯性力的作用外， 还要考虑地基土的水平变形对桩基的作用。 已往往后者对桩基的抗震性能 评价起决定性的作用。 在建立计算图式时， 合理地确定土弹簧的水平刚度和土的侧向变形是 PushOver 方法的关键。土弹簧刚度的确定，除考虑使用较为精确的有限元或边界元方法外， 较为简便的方法是采用 Penzien 模型中提供的土弹簧计算方法或参照现行规范中土弹簧的计
/FILNAME,Elastic-Plasitc,1 /TITLE, Elastic-Plasitc Analysis !前处理。 /PREP7 !**定义梁单元189。 ET,1,BEAM189 !定义单元。 !**梁截面1。 SECTYPE, 1, BEAM, HREC, , 0 !定义梁截面。SECOFFSET, CENT SECDATA,50,100,6,6,6,6,0,0,0,0 !定义梁截面完成。 !**定义材料。 MPTEMP,,,,,,,, !定义弹塑性材料模型。MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,,2.05e5 MPDATA,PRXY,1,,0.3 TB,BISO,1,1,2, TBTEMP,0 TBDATA,,150,18600,,,, !定义弹塑性材料模型。!**建立几何模型。 K,1, , , , K,2 ,900, K,3 ,,50 LSTR, 1, 2 !**网格划分。 FLST,5,1,4,ORDE,1 !定义网格密度。FITEM,5,1 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X CM,_Y1,LINE CMSEL,,_Y LESIZE,_Y1, , ,50, , , , ,1 !定义网格密度完成。CM,_Y,LINE !网格划分。 LSEL, , , , 1 CM,_Y1,LINE CMSEL,S,_Y CMSEL,S,_Y1 LATT,1, ,1, , 3, ,1 CMSEL,S,_Y CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 LMESH, 1 !网格划分完成。 !施加载荷及求解。 FINISH /SOL
!**施加约束。 FLST,2,1,3,ORDE,1 !施加约束。FITEM,2,1 /GO DK,P51X, , , ,0,UX,UY,UZ,ROTX, , , FLST,2,1,3,ORDE,1 FITEM,2,2 /GO DK,P51X, , , ,0,UY,UZ,ROTX, , , , !施加约束完成。 !**加载。 FLST,2,50,2,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-50 SFBEAM,P51X,1,PRES,100, , , , , , LSWRITE,1, !定义载荷步1完成。FLST,2,50,2,ORDE,2 !定义载荷步2。FITEM,2,1 FITEM,2,-50 SFEDELE,P51X,1,PRES LSWRITE,2, !定义载荷步2完成。!设定求解步并求解。 LSSOLVE,1,2,1,
桩一土相互作用集中质量模型的土弹簧刚度计算方法 桩一土相互作用集中质量模型的 土弹簧刚度计算方法 孙利民刘东潘龙王君杰 （同济大学桥梁工程系） [摘要]本文针对桥梁柱一土相互作用问题PushOver分析法中, 如何合理地确定土弹簧的刚度和土体的变形的课题进行分析计算。研究了不同地震强度下上弹簧刚度的变化特性，并将Penzien的方法和桥梁设计规范中的 "m法'计算结果进行比较，为桩一土相互作用问题的理论分析和参数选取提供重要的手段和依据。 关键词桩一土相互作用土弹簧刚度土体位移 Penzien模型 m法 一、引言 对于城市高架桥梁、大跨桥梁等桩承重要工程结构，除保证其上部结构的抗震安全性外，在遭受大地震作用时避免其基础受损也十分重要。近几年国外发生的大地震（如日本神户地震等）的震害表明，坐落在软弱土层上的桥梁桩基的震害十分突出，桩土相互作用这一课题又引起了人们的重视。 对于基础坐落在软弱土层上的桥梁结构来说，在地震发生时，桥梁上部结构的惯性力将通过基础反馈给地基，使地基产生局部变形。同时，地基自身也会因地震力作用而发生变形，反过来影响上部结构的反应。这即所谓地基一结构系统的相互作用。考虑地基一结构系统的相互作用的影响，不仅可以更准确地掌握桥梁上部结构的地震反应，对于正确计算土中基础的内力和变形也十分必要。 土与结构相互作用的研究已有近60～70年的历史，待别是近30年来，计算机技术的发展为其提供了有力的分析手段。桩基础是土建工程中广泛采用的基础形式之一，许多建于软土地基上的大型桥梁结构往往都采用桩基础，桩一土动力相互作用又是土一结构相互作用问题中较复杂的课题之一。至今已有不少关于桩基动力特性的研究报告，国内外研究人员[1-8]也提出了许多不同的桩一土动力相互作用计算方法。从研究成果的归类来看，理论上主要有离散理论和连续理论及两者的结合，解决的方法一般有集中质量法、有限元法、边界元法和波动场法。 60～70年代，美国学者J.penzien[9]等在解决泥沼地上大桥动力分析时提出了集中质量法，目前已在国内外得到了广泛的应用。集中质量法将桥梁上部结构多质点体系和桩一土体系的质量联合作为一个整体，来建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解。该模型假定桩侧土是Winkler连续介质。以半空间的Mindlin静力基本解为基础，将桩一土体系的质量按一定的厚度简化并集中为一系列质点，离散成一理想化的参数系统。并用弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质，形成一个包括地下部分的多质点体系。 PenZien方法的优点是可以方便地考虑成层土的非均匀性，非线性和阻尼特性等因素。其计算力学图式中，上下部结构均采用多质点有限元体系，便于直观理解。同时计算比较简便，经过适当的参数调整，该模型可以较好地反映桩的动力性能，因而在桩基桥梁抗震计算的实际工程中应用极广。 桥梁桩基础的抗震设计目前还主要采用静力的方法，土对桩基的作用通过一组等效的弹簧来表示。最近，日本等多地震国家的规范已开始建设使用pushOver的方法。该方法虽为一种非线性的静力分析
ANSYS应用——m法计算桩基时模拟桩与土作用的命令流 !z1spring1.mac /PREP7 WPCSYS,-1 !工作平面恢复到默认状态 CSYS,0 dpile1=1.5!桩直径***** allsel,all cmsel,s,z nsll,s,1 NSEL,r,LOC,Z,-5-5-5.36,-6-5-5.36!建立泥面以下桩的节点集合 CM,SPNODE1,NODE allsel,all,all cmsel,s,z nsll,s,1 NSEL,r,LOC,Z,-6-5-5.36,-20-5-5.36 CM,SPNODE2,NODE allsel,all,all cmsel,s,z nsll,s,1 NSEL,r,LOC,Z,-20-5-5.36,-25-5-5.36 CM,SPNODE3,NODE allsel,all,all cmsel,s,z nsll,s,1 NSEL,r,LOC,Z,-25-5-5.36,-27-5-5.36 CM,SPNODE4,NODE allsel,all,all cmsel,s,z nsll,s,1 NSEL,r,LOC,Z,-27-5-5.36,-31-5-5.36 CM,SPNODE5,NODE allsel,all,all !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!spring1 /PREP7 CMSEL,S,SPNODE1 !选择泥面以下,桩的节点集合 *GET,enum,ELEM,,COUNT, , , , *GET, NNUM, NODE, 0, COUNT, *GET, nmin, NODE, 0, num, min,
桩土相互作用下单桩特性分析 [摘要]：随着我们经济技术的发展，各种复杂建筑的不断涌现，桩土之间相互作用和协调工作问题的研究成为土木工程中非常重要的课题之一。桩基础作为一种常用的基础形式，以其承载力高、沉降量小而均匀、稳定性好、易于机械化作业等特点，在高层建筑及路桥工程及其它领域得到不断发展。国内外的学者在如何考虑桩基础与地基之间的共同作用方法的研究都进行了深入的讨论，并在实际工程得到了运用。桩土共同作用是一个非常复杂的系统，有必要进一步的研究桩土相互作用下单桩特性分析。本文借助大型通用有限元软件分析了桩和土体共同作用下的单桩的受力特性，揭示了桩土相互作用下单桩特性分析，为优化实际工程结构设计方案安全和经济性进行有效的预测和指导作用。 1 桩土本构模型的选取 本构模型选取是否合适对结构分析非常重要，本文土体选用弹塑性地基模型。桩土受荷时，当土体进入塑性阶段时，桩仍处于弹性变形阶段，桩与土体正比，其变形较小。因此，桩基选用线弹性模型。 1.1 弹塑性地基模型 本算例在采用有限元软件进行分析时，采用SOLID45单元来模拟，SOLID45单元用于建立三维实体结构模型，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个分别沿着X、Y、Z方向平移的自由度[1]。由于土体和混凝土两种材料的性质相差较大，在一定的受力条件下有可能在其接触面上产生错动滑移或开裂。因此，在土体和混凝土的交界
面考虑接触效应。有限元程序提供了多种接触形式，并且能将纯拉格朗日乘子法和罚函数法结合起来。其中法向刚度因子取1.0，以避免取值过小导致造成总刚度病态，不便于收敛。本文采用刚体-柔体的面-面接触单元来模拟[2]。其中，土体当作“接触”面，利用TARGE173来模拟，作为柔性面。桩体当作“目标”面，利用TARGE170来模拟，作为刚性面。 3 计算结果分析 3.1 桩身的荷载与沉降关系 研究桩基在不同荷载作用下的荷载-沉降曲线是探究桩基受力机理的主要途径。单桩的P-S曲线如图3.1所示，可以看出，随着荷载的逐步加大，桩顶的沉降逐渐增加，由线性特征逐步表现出非线性的特性。在桩顶施加相同等级的荷载的情况下，桩的沉降量增加幅度却在加大，曲线的斜率不断增大，表现出明显的非线性，也说明了土体为D-P材料，在荷载作用过程中，不仅发生弹性变形，同时也产生的塑性变形。 图3-2 单桩P-S曲线与桩长的关系 由图3-14可知，不同桩长的P-S曲线都有明显的拐点，且在拐点之后都发生了塑性流动。与此同时，相同荷载作用下，桩顶沉降随桩长的增大而逐渐减小，在相同桩顶沉降处，单桩承载力随桩长的增大而逐渐增加。 3.2 土体压缩模量的影响 为了探讨桩间土的压缩模量对桩土共同作用的沉降影响，分别取
a n s y s 桩土相互 作用 例子 /prep7 et,1,pla ne42 et,2,solid45 mp,ex,1,2.5e10 mp, nu xy,1,0.2 mp,de ns,1,2500 mp,ex,2,2.5e8 mp, nu xy,2,0.4 mp,de ns,2,2000 tb,dp,2 tbdata,1,19,32,30 桩的弹性模量桩的泊松比 桩的密度 土的弹性模量土的泊松比 土的密度 粘聚力c为19摩擦角为32度，膨胀角为30 RECTNG,0,1,0,8, RECTNG,1,5,0,6, 面1 面2 RECTNG,0,5,0,-16,面3 /pnu m,area,1 /pnu m,li ne,1 asel,s,,,2,3,1 aglue,all nu mcmp,all allsel aplot lsel,s,,,1,3,2 划分面1 lesize,all,,,2 lsel,s,,,2,4,2 lesize,all,,,16 amesh,1
lsel,s,,,6,8,2 划分面2 lesize,all,0.5 lsel,s,,,5 lesize,all,0.5 lsel,s,,,7 lesize,all,0.5 amesh,2 lsel,s,,,11 划分面3 lesize,all,0.5 lsel,s,,,12 lesize,all,0.5 lsel,s,,,10 lesize,all,0.5
lsel,s,,,9 lesize,all,0.5 amesh,3 EXTOPT,ESIZE,2,0, EXTOPT,ACLEAR,1 type,2 mat,1 VEXT,1,,,,,-1 ! 拉伸成体1 EXTOPT,ESIZE,2,0, ! 拉伸成体2，3 EXTOPT,ACLEAR,1 mat,2 VEXT,2,3,1,,,-1 allsel /view,1,1,1,1 eplot k,1001,5,6,-5 k,1002,5,0,-5 k,1003,5,-16,-5 l,18,1001 l,1001,1002 l,1002,17 l,1002,1003 l,1003,21 al,22,36,37,38 al,30,38,39,40 面! 4 和面5 EXTOPT,ESIZE,10,0, EXTOPT,ACLEAR,1 VEXT,19,20,1,-5 !拉伸成体4 和5 vplot vsel,s,,,4,5,1 vplot lsel,s,,,36,52,1 lesize,all,0.5 type,2 mat,2 vmesh,all allsel !划分体4和 5 vsel,s,,,2,5,1 VPLOT !合并体2，3，4，5 上的重复单元及节点
/FILNAME, Beam,1 ！定义工作文件名。 /TITLE, Beam Analysis ！定义工作标题。/PREP7 !定义单元。 ET,1,BEAM188 !定义材料属性。 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,,2.1e5 MPDATA,PRXY,1,,0.3 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,,7.9e-6 ! 定义杆件截面■200。 SECTYPE, 1, BEAM, RECT, , 0 SECOFFSET, CENT SECDATA,10,10,0,0,0,0,0,0,0,0 !建立几何模型。 K,1, ,, , K,2,350,, , !生成立柱。 LSTR, 1, 2 !以上完成几何模型。 !以下进行网格划分。 FLST,5,1,4,ORDE,1 FITEM,5,1 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X CM,_Y1,LINE CMSEL,,_Y LESIZE,_Y1, , ,50, , , , ,1 !定义单元大小。!分配、划分平板结构。 LMESH, 1 !分析类型施加载荷并求解。 FINISH /SOLUTION ANTYPE,2 ！定义分析类型及求解设置。MSAVE,0 ！模态提取方法。
MODOPT,LANB,10 EQSLV,SPAR MXPAND,10, , ,0 ！模态扩展设置。 LUMPM,0 PSTRES,0 MODOPT,LANB,10,0,0, ,OFF MXPAND,10,0,0,1,0.001, !施加约束。 FLST,2,2,3,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-2 /GO DK,P51X, , , ,0,ALL, , , , , , !求解。 FINISH /SOL /STATUS,SOLU SOLVE !定义谱分析。 FINISH /SOLUTION ANTYPE,8 SPOPT,PSD,10,1 PSDUNIT,1,DISP,386.4, PSDFRQ,1, ,13.8,40,50.6,73,120 !定义谱—频率表。PSDFRQ,1, ,134,178,233, , PSDV AL,1,1,4,0.6,3,5 PSDV AL,1,6,2,6, , FLST,2,2,1,ORDE,2 !施加谱。 FITEM,2,1 FITEM,2,-2 D,P51X,UX,1.0 PFACT,1,BASE, !计算PSD激励参与系数。PSDRES,DISP,REL !设置输出选项。PSDRES,VELO,OFF PSDRES,ACEL,OFF
云浮至阳江高速公路罗定至阳春段 （S02合同段） 独桩独柱桥墩桩基桩土作用弹塑性仿真分析 计算书 设计部主任: 计算: 日期: 复核: 日期: 项目负责人: 日期: 审核: 日期: 广东省公路勘察规划设计院有限公司 2010年10月
目录 1.1模型及边界条件 (3) 1.1.1 分析目标 (3) 1.1.2 采用软件 (3) 1.1.3 模型 (4) 1.1.4 材料性质 (4) 1.1.5 荷载 (4) 1.1.6 单元选择 (4) 1.1.7 边界条件 (5) 1.2分析结果 (5) 1.2.1 嵌岩深度2倍桩直径分析结果 (5) 1.2.2 嵌岩深度3倍桩直径分析结果 (8) 1.2.3 裸岩嵌岩深度3倍桩直径分析结果 (11) 1.2.4 嵌岩深度4倍桩直径分析结果 (14) 1.2.5 仅竖直力作用桩基分析结果 (17) 1.3结论 (18)
1.1模型及边界条件 1.1.1分析目标 本项目设计有大量独桩独柱墩，桩基承受轴向力同时承受巨大的弯矩；然而，灰岩地区岩石埋深浅或岩石裸露，如何确定桩基础经济合理及安全可靠的的嵌岩深度，保证桩土应力长期稳定及桩顶位移满足上部结构的使用要求并具有一定的超载能力，规范及相关文献未见其解。 分析的目标：考虑轴向和侧向加载下，研究不同嵌岩深度桩基附近岩土的塑性发展状态、桩周土及桩底土的应力状态、桩顶的位移，以确定桩基础经济及合理的嵌岩深度。 1.1.2采用软件 采用FLAC 3D岩土力学有限元软件进行空间弹塑性仿真分析。 FLAC 3D美国Itasca咨询公司开发，作为世界范围内应用最广泛的通用岩土工程数值模拟软件，在全球138个国家应用于设计计算及科学研究，在国际岩土工程学术界及工业界得到广泛赞誉。FLAC3D中的本构模型及其应用：
第23卷第2期 V ol.23 No.2 工 程 力 学 2006年 2 月 Feb. 2006 ENGINEERING MECHANICS 72 ——————————————— 收稿日期：2004-04-01；修改日期：2004-05-21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50279015，50309008) 作者简介：*张 嘎(1976)，男，山东人，讲师，博士，主要从事岩土工程等方面的教学研究(E-mail:zhangga@https://www.doczj.com/doc/3618992834.html,)； 张建民(1960)，男，陕西人，教授，博士，主要从事岩土工程等方面的教学研究。 文章编号：1000-4750(2006)02-0072-06 土与结构接触面弹塑性损伤模型用于单桩与地基 相互作用分析 * 张 嘎，张建民 (清华大学 岩土工程研究所，北京 100084) 摘 要：基于粗粒土与结构接触面弹塑性损伤静动力统一模型(称作EPDI 模型)建立了可用于有限元分析的弹塑性损伤接触面单元。对接触面试验进行了模拟，采用不同的接触面本构模型及参数对单调和循环荷载作用下的单桩基础的侧摩阻力和桩顶位移进行了有限元分析。结果表明：包括剪应力应变关系和剪胀特性在内的接触面力学特性对桩土相互作用分析有重要影响，需要合理地加以描述。基于试验结果建立的弹塑性损伤接触面单元能够有效地用于土体与结构物相互作用分析，并能够合理地反映土与结构接触面的包括体应变及其与剪应变耦合特性在内的接触面主要静动力学特性。 关键词：岩土工程；接触面；有限元法；本构模型；单桩；相互作用 中图分类号：TU43 文献标识码：A ELASTOPLASTIC DAMAGE MODEL OF SOIL-STRUCTURE INTERFACE IN SINGLE PILE-SOIL INTERACTION ANALYSIS * ZHANG Ga , ZHANG Jian-min (Institute of Geotechnical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: A new interface element for FEM analysis is presented based on elastoplastic damage model of soil-structure interface (i.e., EPDI model) which is characterized by united description of the monotonic and cyclic behavior of the interface between structures and coarse grained soil. The interface element is used to predict the response of the soil-structure interface and confirmed to be effective by test results. The static and cyclic responses such as the friction resistance and the top displacement of a single pile are analyzed by FEM with various interface models and parameters. Results show that the stress-strain behavior of soil-structure interface has significant effect on the pile-soil interaction and should be well considered. The presented model could be effectively used for soil-structure interaction analysis with a reasonable description of the main static and dynamic characteristics of the soil-structure interface, such as volumetric stress-strain relationship, shear stress-strain relationship and their coupling. Key words: geotechnical engineering; interface; FEM; constitutive model; single pile; interaction 桩基础、上部结构与土体的静动力相互作用分析一直受到广泛关注和研究。桩基础与周围土体之 间的接触面力学特性是合理地评价桩基础与地基相互作用的关键问题之一。近年来，已在试验、理
用MIDAS模拟桩-土相互作用（“m法”确定土弹簧刚度） 迈达斯技术 2009年05月
1、引言 土与结构相互作用的研究已有近60～70年的历史，待别是近30年来，计算机技术的发展为其提供了有力的分析手段。桩基础是土建工程中广泛采用的基础形式之一，许多建于软土地基上的大型桥梁结构往往都采用桩基础，桩-土动力相互作用又是土-结构相互作用问题中较复杂的课题之一。至今已有不少关于桩基动力特性的研究报告，国外研究人员也提出了许多不同的桩-土动力相互作用计算方法。从研究成果的归类来看，理论上主要有离散理论和连续理论及两者的结合，解决的方法一般有集中质量法、有限元法、边界元法和波动场法。 60～70年代，美国学者J.penzien等在解决泥沼地上大桥动力分析时提出了集中质量法，目前已在国外得到了广泛的应用。集中质量法将桥梁上部结构多质点体系和桩一土体系的质量联合作为一个整体，来建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解。该模型假定桩侧土是Winkler连续介质。以半空间的Mindlin静力基本解为基础，将桩-土体系的质量按一定的厚度简化并集中为一系列质点，离散成一理想化的参数系统。并用弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质，形成一个包括地下部分的多质点体系。 土弹簧刚度的确定，除考虑使用较为精确的有限元或边界元方法外，较为简便的方法是采用Penzien模型中提供的土弹簧计算方法或参照现行规中土弹簧的计算方法。我国公路桥涵地基与基础设计规(JTG D63-2007)用的“m法”计算方法和参数选取方面比Penzien的方法要简单和方便，且为国广大工程师所熟.“m法”的基本原理是将桩作为弹性地基梁，按Winkler假定（梁身任一点的土抗力和该点的位移成正比）求解。但是，由于桩-土相互作用的实验数据不足，土的物性取值有时亦缺乏合理性，在确定土弹簧的刚度时，仍有不少问题未能很好解决。特别是，“m法”中m的取值对弹簧刚度的计算结果影响很大，且不能反映地震波的频率特性和强度带来的影响。 本次介绍的土弹簧的模拟是采用规中的“m法”确定土的地基系数C（m的取值根据土的物性而定）,再由其算出土弹簧的水平刚度。
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桩-土接触面力学特性的研究现状 作者：华斌， 赵春风， HUA Bin， ZHAO Chun-feng 作者单位：同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海,200092;同济大学地下建筑与工程系,上海,200092 刊名： 低温建筑技术 英文刊名：LOW TEMPERATURE ARCHITECTURE TECHNOLOGY 年，卷(期)：2009,31(12) 参考文献(19条) 1.Potyondy J G Skin friction between various soils and construction materials 1961(04) 2.Ghaboussi J;Wilson E L;Isenberg J Finite dement for rock joints and interfaces 1973(10) 3.Brandt J R T Behavior of soil-concrete interfaces 1985 4.雷晓燕;G Swboda;杜庆华接触摩擦单元的理论及其应用[期刊论文]-岩土工程学报 1994(03) 5.Katona A simple contact-friction interface element with application to buried culverts 1983(01) 6.Desai C S;Zaman M M Thin-layer dement for interfaces and joints intermational 1984(01) 7.Goodman R E;Taylor R L;Brekke T L A medel for the mechanics of jointed rock 1968(03) 8.D Ngo;A C Scordelis Finite dement analysis of reinforced concrete beams 1967(03) 9.张嘎;张建民粗粒土与结构接触面统一本构模型及试验验证[期刊论文]-岩土工程学报 2005(10) 10.胡黎明;濮家骝土与结构物接触面损伤本构模型[期刊论文]-岩土力学 2002(01) 11.胡黎明;濮家骝土与结构物接触面物理力学特性试验研究[期刊论文]-岩土工程学报 2001(04) 12.沈珠江结构性粘土的弹塑性损伤模型[期刊论文]-岩土工程学报 1993(03) 13.Desai C S;Ma Y Modeling of joints and interfaces using the disturbed-state concept 1992 14.Clough G W;Duncan J M Finite element analysis of retaining wall behavior 1971(SM12) 15.张治军;饶锡保;王志军;丁红顺泥皮厚度对结构接触面力学特性影响的试验研究[期刊论文]-岩土力学 2008(09) 16.Fakharin AK;Evgin E An automated apparatus for three-dimensional monotonic and cyclic testing of interfaces[外文期刊] 1996(01) 17.Dcsai C S;Drumm E C;Zaman M M Cyclic testing and modeling of interfaces 1985(06) 18.殷宗泽;朱泓;许国华土与结构材料接触面的变形及其数学模拟[期刊论文]-岩土工程学报 1994(03) 19.Desai C S;Holloway D M Load deformation analysis of deep foundations 1976 本文链接：https://www.doczj.com/doc/3618992834.html,/Periodical_dwjzjs200912039.aspx
文章编号：1004-3918（2009）08-0974-03 基于ABAQUS 的桩土共同作用的数值模拟 陈晶 （南京农业大学工学院，南京210031） 摘 要：运用ABAQUS 软件对桩土结合模型进行了数值仿真.利用ABAQUS 中的主－从接触算法，在桩身与土体之 间建立接触对，对桩身采用弹性模型，土体采用扩展的Drucker-Prager 模型进行模拟，并考虑初始地应力的影响.通过计算得到竖向载荷作用下桩的轴力分布曲线和沉降曲线.在算例中模拟了江苏某大桥 N1号试桩，结果与现场实测值相近. 关键词：桩土结合；轴力；沉降；ABAQUS 中图分类号：TU 473．1＋2 文献标识码：A 桩土相互作用是一个相当复杂的工程问题.为了确定单桩完整的荷载－沉降关系，即P－S 曲线，传统的 方法是做桩的破坏性荷载试验.然而对于大直径桩要进行这类试验， 无论从加载条件还是从试验技术上都具有很大难度.如何根据现场试验得到的有关资料，通过快速全面的数值仿真分析，确定可靠的桩的荷 载—沉降关系，是广泛关注的问题[1-2，5] . 1有限元模型 ABAQUS 的接触模拟中，要在模型中的各个构件上建立表面，并建立接触对，采用主－从（Master－Slave ）接触算法.选择主、从表面的原则是：从属表面的网格划分更加精细；若网格密度相近，应选择较柔软的材料表面为从属表面.这里选择土体表面为从属表面，如图1.在几何模型上，用大尺寸来模拟半无限空间体，计算时土体半径远大于桩横截面的半径（如土体半径取为桩横截面半径的40～60倍）.对于单个的大直径超长桩的轴向受荷有限元分析，可简化为轴对称平面问题进行计算.本文采用4结点双线性轴对称单元.为了减小计算误差，同时也为了缩短计算时间，在桩土接触面附近单元网格划分的较细，而在远离接触面的土体，网格划分相对稀疏，如图2.对桩体采用弹性体分析， 土体采用弹塑性体分析.ABAQUS 里提供了多种塑性本构模型[3-4]，这里采用工程上常用的摩尔－库仑模型.ABAQUS 可以考虑侧向土压力系数，在*INITIAL CONDITIONS 中设置初始地应力及侧压力系数，并可在*GEOSTATIC 中实现平衡[6]. 2算例 江苏某大桥主桥采用主跨1088m 的双塔斜拉桥，专用通航孔采用140＋268＋140m 连续钢箱梁，引桥分 别为跨径75，50，30m 的等高度预应力砼连续梁桥.大桥试桩工程共为6根钻孔灌注桩，其中北岸3根，直径分别为1，1，1．8m ；南岸3根直径均为1．5m .这里对北岸N1试桩的桩身轴力和沉降进行数值仿真.根据现场实测数据，几何计算数据如下表1、表2所示，土体的半径取为30m ，远大于桩的半径；侧向压力系数0．85. 收稿日期:2009-03-04作者简介:陈 晶（1980-），男，江苏南京人，助教，硕士，研究方向为岩土的数值分析方法. 第27卷第8期2009年8月 河南科学 HENAN SCIENCE Vol.27No.8Aug.2009
ANSYS APDL命令流悬臂梁分析教程 本文通过分析悬臂梁介绍了ANSYS APDL相关命令流方法。 考虑悬臂梁如图2-2，求x=L变形量。已知条件：杨氏系数E=200E9;截面参数：t=0.01m, w=0.03m, A=3E-4,I=2.5E-9;几何参数：L=4m, a=2m, b=2m;边界外力F=2N,q=0.05N/m. 使用ANSYS解决该问题的命令如下： /FILNAM,EX2-1? ! 定义文件名 /TITLE,CANTILEVER BEAM DEFLECTION? !定义分析的标题 /UNITS,SI !定义单位制(注意观察输出窗口的单位) /PREP7 !进入前置处理 ET,1,3? !定义元素类型为beam3 MP,EX,1,200E9 ! 定义杨氏模量 R,1,3E-4,2.5E-9,0.01 !定义实常数(要严格根据该元素类型的说明文档所给出的实常数格式) N,1,0,0!定义第1号节点X坐标为0，Y坐标为0 N,2,1,0!定义第2号节点X坐标为1，Y坐标为0 N,3,2,0 !定义第3号节点X坐标为2，Y坐标为0 N,4,3,0 !定义第4号节点X坐标为3，Y坐标为0 N,5,4,0!定义第5号节点X坐标为4，Y坐标为0 E,1,2!把1、2号节点相连构成单元，系统将自定义为1号单元 E,2,3!把2、3号节点相连构成单元，系统将自定义为2号单元 E,3,4!把3、4号节点相连构成单元，系统将自定义为3号单元 E,4,5!把4、5号节点相连构成单元，系统将自定义为4号单元 FINISH? !退出该处理层 /SOLU!进入求解处理器 D,1,ALL,0 !对1节点施加约束使它X，Y向位移都为0
1 用MIDAS模拟桩-土相互作用（“m法”确定土弹簧刚度） 北京迈达斯技术有限公司 2009年05月
1、引言 土与结构相互作用的研究已有近60～70年的历史，待别是近30年来，计算机技术的发展为其提供了有力的分析手段。桩基础是土建工程中广泛采用的基础形式之一，许多建于软土地基上的大型桥梁结构往往都采用桩基础，桩-土动力相互作用又是土-结构相互作用问题中较复杂的课题之一。至今已有不少关于桩基动力特性的研究报告，国内外研究人员也提出了许多不同的桩-土动力相互作用计算方法。从研究成果的归类来看，理论上主要有离散理论和连续理论及两者的结合，解决的方法一般有集中质量法、有限元法、边界元法和波动场法。 60～70年代，美国学者J.penzien等在解决泥沼地上大桥动力分析时提出了集中质量法，目前已在国内外得到了广泛的应用。集中质量法将桥梁上部结构多质点体系和桩一土体系的质量联合作为一个整体，来建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解。该模型假定桩侧土是Winkler连续介质。以半空间的Mindlin静力基本解为基础，将桩-土体系的质量按一定的厚度简化并集中为一系列质点，离散成一理想化的参数系统。并用弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质，形成一个包括地下部分的多质点体系。 2 土弹簧刚度的确定，除考虑使用较为精确的有限元或边界元方法外，较为简便的方法是采用Penzien模型中提供的土弹簧计算方法或参照现行规范中土弹簧的计算方法。我国公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)用的“m法”计算方法和参数选取方面比Penzien 的方法要简单和方便，且为国内广大工程师所熟.“m法”的基本原理是将桩作为弹性地基梁，按Winkler假定（梁身任一点的土抗力和该点的位移成正比）求解。但是，由于桩-土相互作用的实验数据不足，土的物性取值有时亦缺乏合理性，在确定土弹簧的刚度时，仍有不少问题未能很好解决。特别是，“m法”中m的取值对弹簧刚度的计算结果影响很大，且不能反映地震波的频率特性和强度带来的影响。 本次介绍的土弹簧的模拟是采用规范中的“m法”确定土的地基系数C（m的取值根据土的物性而定）,再由其算出土弹簧的水平刚度。