桩土接触面单元参数分析_精品文档.pdf

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收稿日期:

2002-01-22;改回日期:

2002-07-29基金项目:

中国博士后科学基金资助项目（2001年批准）作者简介:

许宏发（1964-）,男（汉族）,江苏泰州人,解放军理工大学副教授,硕士生导师,南京大学博士后,岩土工程专业,从事岩土力学与工程的教学和研究工作,江苏省南京市,hongfaxu;吴华杰（1978-）,男（汉族）,四川仪陇人,解放军理工大学硕士在读,建筑工程专业,从事防护工程研究工作;郭少平（1972-）,男（汉族）,四川营山人,总参兵种部北京第八干休所工程师,建筑工程专业,从事建筑与土木工程研究工作。

桩土接触面单元参数分析许宏发1,2,吴华杰2,郭少平3,廖铁平2（1.南京大学地球科学系,江苏南京210093;2.解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007;3.总参兵种部北京第八干休所,北京100044）摘要:

桩的抗拔特性与接触面的特性密切相关,正确选定接触面的力学参数对于分析桩的抗拔机理有重要意义。

根据桩土接触面点面接触模型和库仑摩擦变形原理,在10组土-结构（钢、混凝土）剪切摩擦试验分析的基础上,对桩土接触面摩擦参数的取值问题进行了研究,得到了一些结论,对于桩土接触面力学参数正确取值有一定的参考价值。

关键词:

桩;土;接触面;参数研究中图分类号:

TU473.1文献标识码:

A文章编号:

1000-3746（2002）05-0010-03StudyontheParametersofPileSoilContactSurfaceElement/XUHong2fa1,2,WUHua2jie2,GUOShao2ping3,LIAOTie2ping2（1.DepartmentofEarthScience,NanjingUniversity,NanjingJiangsu210093,China;2.EngineeringInstitute,PLAUniversityofScienceandTechnology,NanjingJiangsu210007,China;3.BeijingNo.8SanatoriumofArms,GENERALSTAFF,Beijing100044,China）Abstract:

Theanti2upliftperformancesofpilearecloselyrelatedtocharacterofthecontactsurface.Thecorrectselectionofthemechanicsparametersofcontactsurfacehasanimportantroleintheanalysisoftheanti2uplifttheoryofpile.Ac2cordingtothepoint2surfacecontactmodelofpilesoilcontactsurfaceandCoulombsfrictiondeformationprinciple,thevalueaboutthepilesoilcontactsurfacefrictionparametersarepresentedbasedonthetestanalysisoftengroupssoilstruc2ture（steel,concrete）shearfrictionandconcludethattheresultswillhaveimportantreferencevalueforthecorrectvalueofpilesoilcontactsurfacemechanicsparameters.Keywords:

pile;soil;contactsurface;parameterstudy桩的承载力主要由2部分组成,一是桩侧摩阻力,二是桩端阻力。

对于抗拔桩或超长桩,摩阻力起主要作用。

桩侧摩阻力是桩土之间相互作用而产生的结果,只有当桩土之间产生相对位移时,摩阻力才能得到发挥。

在进行荷载传递机理研究时,必须要了解桩土接触面的力学性状,建立合理的力学模型以及合理的力学参数。

在桩土体系数值计算中,确定接触面单元的力学参数也非常重要,但由于桩土接触面单元参数的研究资料较少,许多参数都是“拍脑袋”定的,使得计算结果的误差较大,因此对接触面单元参数进行专门研究很有必要。

桩-土接触变形问题是一类非线性,但它既非几何非线性也非材料非线性,而属于边界条件非线性问题1、2。

目前提出的接触面单元模型很多,在岩土工程中以1968年Goodman等人3提出的节理单元应用较为广泛,该方法的详细介绍见相关文献36。

Goodman单元（即无厚度节理单元）模型虽然能模拟接触面的相对滑移和张开,但量值较小,当产生较大滑移、张开、重叠后往往引起解的不收敛79。

本文采用了点面接触模型来模拟桩土接触面,该模型的特点是能进行大变形计算,如较大尺寸的张开、滑移等10。

点面接触模型中,有2个重要的力学参数:

摩擦系数f和切向刚度Kt。

本文在10组土-结构（钢、混凝土）剪切摩擦试验结果研究的基础上,对桩土接触面摩擦参数的取值问题进行了分析,得到了一些结论,对于桩土接触面力学参数正确取值有一定的参考价值。

1桩土接触面摩阻力系数桩的抗拔特性与接触面的特性密切相关,正确01探矿工程2002年第5期选定接触面的力学参数对于分析桩的抗拔机理有重要意义。

我们主要考虑桩侧-土的剪切力学参数。

文献4介绍了几种土与混凝土和钢之间的剪切摩擦试验,经过整理,汇总在表1中。

从表1可以看出,剪切强度m、剪切刚度Kt不仅与接触面材料有关,而且与法向压力有密切关系。

表中剪切刚度Kt为第一拐点的割线刚度。

由表1试验数据可画出土与结构之间的剪切强度曲线,见图1、2。

由图1、2可看出,接触面剪力和正压力之间成基本过原点的线性关系,用表达式

（1）对试验数据进行数学回归,得到的回归参数见表2。

m=fn

（1）表1土与结构之间剪切力学参数汇总接触面材料法向压力/kPa25Kt/（MPam-1）m/kPa50Kt/（MPam-1）m/kPa100Kt/（MPam-1）m/kPa150Kt/（MPam-1）m/kPa300Kt/（MPam-1）m/kPa500Kt/（MPam-1）m/kPa中密砂钢2112351010911混凝土4310861024310密实砂钢401028135516421915318125173711221510混凝土411750109019831022212261103701346710粘土（固结）钢35167137217161382102515105134314混凝土3918716501015188016321088194613亚粘土（固结）钢381191260161515133143114153184314混凝土381191158101911121123113121124314粉土质亚粘土（固结）钢4315919461620116215461783157714混凝土35177194315191855164719102107916表2土与结构间的摩擦系数接触面材料粘土钢混凝土亚粘土钢混凝土粉土质亚粘土钢混凝土中密砂钢混凝土密实砂钢混凝土摩擦系数f01282013120129901304014920150301365018210149401917摩擦系数差值010301005010130145601423回归相关系数019910019995019982019952019978019988019928019981019853019956图1砂土与结构之间剪切强度曲线中密砂与钢;中密砂与混凝土;密实砂与钢;密实砂与混凝土由表2可以看出,摩擦系数与土的特性密切相关,其大小随着土强度的增大而增大。

摩擦系数还与接触面的粗糙程度有关,一般钢的表面光滑度比混凝土高,因此土与钢的接触摩擦系数比土与混凝土的接触摩擦系数小,随着土强度的增高,它们的差值也越大,粘性土与钢和混凝土摩擦系数差值为0100501013,而砂土与钢和混凝土摩擦系数差值图2粘性土与结构之间剪切强度曲线粘土与钢;粘土与混凝土;亚粘土与钢;亚粘土与混凝土;粉土质亚粘土与钢;粉土质亚粘土与混凝土为0142301456。

说明粘性土对接触面粗糙程度的敏感性较小,而砂土对接触面粗糙程度的敏感性较大。

2桩土接触面剪切变形刚度图3表达了粘性土、砂土与结构（钢和混凝土）112002年第5期探矿工程之间剪切变形刚度与正压力的关系。

可以看出,随着正压力n的增加,刚度Kt也在增加,且在1线和2线之间变化,平均变化线为3线,与接触面的特性无明显关系。

1线、2线、3线的方程分别为:

1线:

Kt=103（2118+110n）（kPa/m）

（2）2线:

Kt=103（2118+01689n）（kPa/m）（3）3线:

Kt=103（2118+01438n）（kPa/m）（4）图3土与结构之间剪切变形刚度与正压力的关系曲线粘土与钢、混凝土;亚粘土与钢、混凝土;粉质亚粘土与钢、混凝土;密砂与钢、混凝土以上结论是试验室结果得到的,对参数选择有一定的参考意义。

在工程中,对侧表面比较粗糙的桩,摩擦系数还应乘以与桩侧表面粗糙度有关的系数（13）,当破坏面主要由土的抗剪强度控制时,摩擦系数可能是相当大的。

3结论本文在分析了10组土-结构（钢、混凝土）剪切摩擦试验结果后,得到了几个结论:

（1）摩擦系数与土的特性密切相关,其大小随着土强度的增大而增大;

（2）摩擦系数与接触面的粗糙程度有关,一般钢的表面光滑度比混凝土高,因此土与钢的接触摩擦系数比土与混凝土的接触摩擦系数小,随着土强度的增高,它们的差值也越大,粘性土与钢和混凝土摩擦系数差值为0100501013,而砂土与钢和混凝土摩擦系数差值为0142301456,说明粘性土对接触面粗糙程度的敏感性较小,而砂土对接触面粗糙程度的敏感性较大。

这些结论,对于正确取值有一定的参考价值。

在工程中,桩土摩擦系数的选取是复杂的,它与桩侧表面粗糙度有关,当破坏面主要由土的抗剪强度控制时,摩擦系数可能是较大的。

一般混凝土桩,对粘性土的摩擦系数为0125014;对砂土的摩擦系数为015110。

参考文献:

1屈智炯.土的塑性力学M.成都:

成都科技大学出版社,1987.2何君毅,林祥都.工程结构非线性问题的数值解法M.北京:

国防工业出版社,1994.3GoodmanR.E.,TaylorR.L.,BrekkeT.L.AModelfortheMechanicsofJointedRockJ.JournalofsoilMechanicsandFoundationsDivision,1968,94（3）.4朱百里,沈珠江.计算土力学M.上海:

上海科学技术出版社,1990.5钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算M.北京:

中国水利水电出版社,1994.6朱伯芳.有限单元法原理与应用M.北京:

中国水利水电出版社,1979.7Ellison,R.D.,etal.Load2deformationMechanismforBoredPilesJ.JournalofsoilMechanicsandFoundationsDivision,1971,97（4）.8Desai,C.,&S.NumericalDesign2analysisforPilesinSandsJ.JournaloftheGeotechnicalEngineeringDivision,1974,100（6）.9Balaam,N.P.,Poulos,H.G.,Booker,J.R.FiniteElementAnalysisoftheEffectsofInstallationo