桩与土相互作用体系的有限元研究初探

软土地基具有“三低三高”特性，既高含水量，高孔隙比，高压缩性，低强，低渗透性，低固结系数。软基作为天然地基时，工程中多用桩基进行加固。桩基作为一种古老、传统、成熟的地基处理方法，被广泛应用于工程建设的各个领域。 数值分析方法是为了合理分析软基中土体与桩相互作用，建立桩—土共同作用的数值模型，用有限元方法计算桩与土作用体系下的应力和变形。 土体性状复杂，选择恰当的本构模型十分重要，本文介绍了几种常用的土体本构模型。桩—土相互作用一定程度上影响了桩体的应力和变形，鉴于该问题的复杂性，应恰当地选取接触面单元来描述两者之间的界面力学行为。文中对现有的接触面单元的优缺点进行了深入的分析，在总结已有成果的基础上，指出了姚纬明等人提出的薄层单元具有较好的适应性。应用节点力学的基本理论和广义位移法的基本概念，推导了用梁单元模拟薄壁筒桩的计算公式，研究了梁单元离散桩体结构时梁单元的数目对计算结果的影响，得出了梁单元数量宜与桩穿过土层数目相一致的结论。 鉴于梁单元不能较好反映桩体材料的非线性特性，而常规等参单元不能较好地反映桩体的弯曲变形等缺点，引入了强化假定应变等参单元，并通过算例验证了该单元描述桩的合理性。在此基础上引入了混凝土的损伤模型，提出了桩的水平承载力的分析方法，并利用该方法对上海浦南东片出海闸导流堤采用的薄壁筒桩进行了水平变力逐步加载分析，并与试验结果进行比较，验证了分析结果的合理性。通过对随水平加载过程变化的桩体损伤、桩身应力、钢筋应力和土体抗力等深入分析，得出了桩的水平承载力受力机理。