土与结构间接触面的非线性弹性-理想塑性模型及其应用

将非线性弹性理论与弹塑性理论相结合,对于土与结构间接触面提出了一种非线性弹性-理想塑性模型,用于模拟土与结构相互作用体系的变形与破坏机理。推导建立了这种接触面单元的应力-应变关系和弹塑性系数矩阵,并且讨论了这种模型在基坑开挖与支护分析应用中所面临的数值计算问题。最后针对某一基坑工程实例,应用这种接触面模型进行了数值计算与分析,结果表明,该模型能够较合理地模拟接触面上的变形机理与受力状态。     

改进的薄层单元在桩-土动力相互作用中的应用

在地震荷载作用过程中,由于桩身材料性能与周围土体性质差异较大,土体在桩-土接触面上发生张开或滑移,该强非线性接触行为直接影响接触面附近土体与桩体应力状态,从而影响上部结构地震响应水平。真实桩-土接触面由于桩身表面混凝土约束关系,具有一定厚度且存在相关体变规律的接触带。通过有限元软件ABAQUS用户自定义单元UEL程序编写改进Desai薄层接触单元,在Desai薄层接触单元中加入Rayleigh阻尼项以模拟地震作用时桩-土强非线性接触行为能量耗散过程。接触面法向与两切向本构关系采用双曲线模型。规定了Desai薄层接触单元在桩-土接触面上的行为模式以模拟土体在接触面黏结、滑动、张开、再闭合等接触状态。建立精细三维桩-土-结构体系动力相互作用模型以研究改进Desai单元对上部结构峰值动力响应水平影响,为工程结构抗震设计时程分析提供参考依据。     

大型灌注桩桩土接触面法向作用力时空分布规律

本文从桩土接触面法向作用力着手，应用工程实测资料，对大型钻孔灌注桩桩土接触面法向作用力时间和空间分布规律进行探讨，得出桩土接触面相互作用的法向应力随深度的增加而增大；对所测三个深度处应力值进行与时间关系的曲线拟合，得出桩土接触面法向作用力按σ=Ae^-Bt＋C规律递减，且当时间趋于无穷大时，稳定于C值；通过相关性分析，得出该法向作用力随时间变化的稳定值与深度相关程度很高，而与地层参数之间关系不大；应用有限元数值计算证实了实测数据分析结果的有效性。     

考虑桩土相互作用的变截面高墩自振频率计算分析

针对变截面群桩基础高墩的几何特性,将桥墩与群桩基础简化为空间整体,在考虑桥墩变截面特性及桩土相互作用的基础上,提出群桩基础变截面桥墩分析模型;将分析模型分解成群桩基础的刚体变形与桥墩的弹性变形两个部分,分别基于能量法与有限单元法求解相应的自振频率,并采用Southwell频率合成法,将整体计算模型表示成两个部分的合成,从而导出变截面桥墩的自振频率,通过算例证明该方法的实用性,并分析了桥墩参数对自振频率的影响,获及了一些定性的结论。结果表明,变截面高墩自振频率的计算分析中,桩-土相互作用的影响不容忽视,考虑桩土相互作用和桥墩本身的非线性更符合工程实际。     

桩土相互作用地基桩定量分析的影响

基桩完整性定量分析与桩土相互作用特性有关，桩土相互作用可用线性阻尼壶来模拟，文中讨论了桩土相互作用模型参数对计算结果的影响，在桩土相互作用下，应力波在桩身中传播呈指数形式衰减，确定衰减系数之后，用反射波峰值与入射波峰值比较便可近似确定桩身异常处截面完整系数。     

桩土相互作用对基桩定量分析的影响

基桩完整性定量分析与往土相互作用特性有关，桩土相互作用可用线性阻尼壶来模拟，文中讨论了桩土相互作用模型参数对计算结果的影响。在桩上相互作用下，应力波在桩身中传播呈指数形式衰减，确定衰减系数之后，用反射波峰值与人射波峰值比较便可近似确定桩身异常处截面完整系数。     

考虑桩土差异沉降影响的桩网复合地基桩土应力比分析方法

桩土应力比是桩网复合地基或路基设计的重要控制参数,受土拱效应、拉膜效应和桩土相互作用及其耦合作用的综合影响,为此,本文首先引入几何同心拱模型,考虑桩土差异沉降与土拱发挥程度的关系,建立了新型桩网复合地基土拱效应分析模型,并根据水平加筋网变形特征将水平加筋网变形曲面视为球面与柱面的组合,建立了反映桩土差异沉降影响的拉膜效应分析模型。然后,考虑桩土相互作用及桩土差异沉降,建立了考虑路基填土、网、桩土加固区耦合作用的桩网复合地基荷载传递分析模型,进而提出了其桩土应力比分析新方法。该方法不仅能反映土拱效应、拉膜效应和桩土相互作用对桩土应力比的影响,而且还能反映桩土差异沉降对三者发挥程度的影响。最后,通过工程实例计算以及与现有同类相关方法的比较分析,表明了本文分析模型与方法的可行性与合理性。     

筋箍碎石桩复合地基极限承载力计算

基于弹性力学与弹塑性土力学理论,本文分析了受荷时碎石桩桩体的空间应力应变分布,在Brauns法基础上综合考虑筋材及桩侧土体围限力,桩土自重及桩土接触面剪切力对桩体承载力影响,根据极限平衡理论,推导出筋箍碎石桩极限承载力计算公式。引入现场试验与某工程实例,将本文计算与其他方法计算结果进行对比,对于普通碎石的计算结果两者较为接近,对于筋箍碎石桩,本文方法所得计算结果较实测值更为接近,这表明本文方法可为工程实践提供参考,最后在算例基础上,分别讨论了桩土接触面的剪切力、桩径、筋材强度对筋箍碎石桩极限承载力的影响。     

筋箍碎石桩复合地基极限承载力计算

基于弹性力学与弹塑性土力学理论,本文分析了受荷时碎石桩桩体的空间应力应变分布,在Brauns法基础上综合考虑筋材及桩侧土体围限力,桩土自重及桩土接触面剪切力对桩体承载力影响,根据极限平衡理论,推导出筋箍碎石桩极限承载力计算公式。引入现场试验与某工程实例,将本文计算与其他方法计算结果进行对比,对于普通碎石的计算结果两者较为接近,对于筋箍碎石桩,本文方法所得计算结果较实测值更为接近,这表明本文方法可为工程实践提供参考,最后在算例基础上,分别讨论了桩土接触面的剪切力、桩径、筋材强度对筋箍碎石桩极限承载力的影响。     

多层地基中超长桩荷载传递机理的非线性计算方法

目前超长桩的理论远远落后于实践,分析超长桩的受力性能,提出合理的承载力计算模式及相应的计算参数是目前急需解决的问题.论文基于超长桩试验资料,提出与超长桩桩侧土工作性状相适应的弹性-软化-稳定三阶段荷载传递模型;桩端采用双曲线荷载传递模型模拟土的非线性变形特性;桩身引入混凝土的Rusch模型,以考虑高荷载水平作用下超长桩桩身混凝土的弹塑性性状.通过桩身任意处微段竖向受力平衡,建立考虑桩身混凝土弹塑性关系的桩土体系荷载传递基本方程,在综合考虑桩侧土软化稳定和桩端土非线形的基础上得到与超长桩工作性状相适应的层状地基中超长桩荷栽传递分析方法,并根据模型编制了相应的C语言程序进行实例分析.计算得到的荷栽-沉降曲线与实测的曲线吻合较好.本文方法适用于计算多层地基中超长桩的沉降和极限承载力,也可用于分析层状地基中超长桩的荷载传递规律.经过对工程实例的计算与实测对比分析,证明该法简单、可靠,且具有较好的适用性.     

Effect of compressible parameters on vertical vibration of an elastic pile in multilayered poroelastic media

This paper mainly investigates the influences of compressible parameters on the vertical vibration of a pile embedded in layered poroelastic soil media. The pile is treated as a 1D elastic bar by the finite element method, and fundamental solutions for the layered poroelastic soils due to a vertical dynamic load are obtained by the analytical layer element method. Based on the compatibility conditions, the pile-soil dynamic interaction problem is solved. The numerical scheme has been compiled into a Fortran program for numerical calculation. Influences of the pile-soil stiffness ratio, compressible parameters, vibration frequency and the soil stratification are discussed.     

Nonlinear three-dimensional analysis of reinforced concrete piles subjected to horizontal loading

A three-dimensional finite element approach is proposed to predict the response of reinforced concrete piles to horizontal loading. This approach allows the nonlinear effects arising from the soil–pile interaction to be properly accounted for. In particular, the occurrence of plastic strains in the soil, concrete cracking and steel yielding in the pile as well as the occurrence of slip and gap at the soil–pile interface are reliably simulated using appropriate constitutive models. Another advantage of the present method is that it requires few material parameters as input data. In addition, these parameters can be readily obtained from conventional geotechnical and structural tests. The proposed approach is used to analyse the results from some loading tests documented in the literature concerning a large-diameter pile and a large-section rectangular pile (barrette) embedded in sandy soils. The theoretical results from these analyses are found to be in fairly good agreement with the experimental measurements available from the loading tests. Remarks of practical interest on the response of the structures considered to horizontal loading are also made.     

基于统计损伤本构模型的改进桩-土接触面模型研究

建立准确合理的接触面本构模型是研究桩基承载力、沉降及变形等问题的前提。考虑桩-土界面初始剪切刚度的深度效应,提出基于统计损伤本构模型的无厚度接触面本构模型,根据剪切试验的数据对改进的接触面本构模型参数进行拟合,得到了不同法向应力下的模拟曲线。利用FLAC3D软件内嵌的FISH语言,对桩-土界面进行改进本构模型的二次开发,提出的无厚度接触面模型合理地模拟出桩-土界面刚度的非线性,成功实现了桩-土剪切试验过程的数值模拟。计算结果表明：提出的无厚度接触面本构模型能够合理地模拟桩-土界面的力学行为,可以描述接触面刚度的非线性变化,也适于程序化计算,拓展了接触面统计损伤本构模型的应用领域,为深入探讨桩基承载变形性状奠定了基础。     

Thermal analysis of energy piles in sand

The present work investigates the behaviour of geothermal energy piles in sand subjected to thermal loading and the resulting soil-structure interaction, numerically using the finite element software Abaqus and user-defined material subroutines for soil. The stress-strain response of sand has been simulated using CASM constitutive model based on critical-state soil mechanics. Detailed parametric sensitivity studies have been carried out to understand the effects of different end conditions of the pile, relative densities of the soil, coefficients of lateral earth pressure of the ground, lengths and diameters of the pile, thermal loads, coefficients of friction at the pile-soil interface, critical-state friction angles of soil, thermal conductivity of soil, specific heat of soil and thermal conductivity of the pile on the stress response of soil, deformation of the pile and soil, and strains in the pile. The results show that negative shear stress is generated in the soil at the pile-soil interface. In the pile with both ends restrained the lateral earth pressure coefficient in soil increases due to high radial strain generation. Moreover, the lateral earth pressure coefficient in soil increases with the increase in the thermal load, the coefficient of friction at the pile-soil interface and the critical-state friction angle of the soil.     

复合地基承载特性的弹塑性分析

对桩及承台采用线弹性有限元模型,对承台下桩周土采用弹塑性有限元模型,对群桩以外的土体采用线弹性无限元模型,在桩土接触面上设置接触面单元,利用三维弹塑性有限元对桩%D土%D承台相互作用进行了分析。得出了如下结论 :承台下桩顶反力总体表现出角桩最大,边桩次之,中桩最小的分布规律,随着作用在承台上的荷载增大,桩顶反力趋于均匀分布,承台下桩侧摩阻力是由桩端向桩顶逐渐发展的,承台对桩上部侧摩擦阻力存在削弱作用。为了验证本文方法的可行性,对承台下有九桩的情况进行了静载试验,将试验结果与本文计算结果进行了比较。     

基于有限杆单元法的陡坡基桩非线性分析

根据陡坡段桥梁基桩承载特性,提出了一种可考虑桩土非线性作用的基桩内力与位移分析有限杆单元方法。首先,基于单元划分结果,结合桩侧摩阻力和坡体侧向推力的分布规律,得到了相应的等效结点荷载向量表示方法;其次,在线弹性地基反力法的基础上,引入p-y曲线开展了桩周土抗力非线性分析,并结合桩身P-?效应（P为桩顶轴向荷载,?为桩顶水平位移）计算方法给出了单元刚度矩阵修正方法,进而提出了适用于基桩内力位移非线性分析的有限杆单元法并编制了MATLAB计算程序;最后,结合某工程实例,将计算结果与工程实测值及已有理论值进行对比。结果表明：考虑桩土非线性作用的计算方法是合理的;当桩身具有自由段时,P-?效应对基桩内力位移的影响较大,在实际工程设计中不可忽视。     

PHC管桩荷载传递的试验研究和数值分析

通过在预应力高强混凝土管桩(PHC桩)的桩顶、桩端及桩周各主要土层的分界面埋设应变计的静荷载试验，研究了PHC管桩的荷载传递机理，分析了轴力和桩侧摩阻力的变化规律。并以工程中PHC管桩的竖向抗压静载试验为基础，运用有限单元法对软土地区的PHC管桩桩-土相互作用进行模拟，在分析中采用弹塑性模型，引入了非线性接触面单元，并且考虑了土体的材料非线性。分析结果表明，计算值和实测值有一定的差别，但是变化趋势基本一致。     

桩-桩水平振动动力相互作用研究

在采用动力Winkler地基模型并考虑了被动桩与桩周土体相互作用的基础上,运用传递矩阵法求解出层状地基中的群桩水平振动桩-桩动力相互作用因子。与严格解（Kaynia和Kausel,1982年）进行对比,验证了方法的有效性。研究了各因素如桩长、桩底约束、桩间角度以及地基土对桩-桩动力相互作用因子的影响,并提出了＂影响桩长＂的概念。     

考虑桩-土非线性接触的自平衡桩基测试有限元分析

自平衡桩基测试由于不受场地限制,在桥梁桩基检测和水上试桩领域得到较为广泛应用,但由于自身承受荷载机理、桩土相互作用与传统桩基静载测试不同,目前其实际应用仍然存在一些问题,因此需要在自平衡加载方式下建立合理数值模型来为进一步理论分析奠定模型基础。在考虑桩体非线性接触面基础上,研究了决定非线性接触性质的摩擦系数计算原则及相关模型参数取值,基于ANSYS接触面单元建立了自平衡桩基有限元模型,以武汉工程为依托,与实测结果进行对比,结果表明基于接触面单元建立的自平衡桩基模型具有更高的精确度,能够很好反映真实荷载作用下上下段桩位移曲线图。