桩 -土荷载传递规律 ANSYS模型分析

钟睿

中铁上海工程局集团有限公司

摘要：本文主要介绍了岩土工程中桩土体系荷载传递的相关理论，重点描述了桩基础在ANSYS模型中位移和应力的变化特点，根据ANSYS模型木桩数据分析的结果，模拟分析桩土体系的荷载传递原理。

关键词：ANSYS建模 桩基础 荷载传递 有限元

引言

目前国内外很多科学工作者采用了实验模型对桩基进行了研究，并获得大量有益的成果，同时推动了岩土工程理论研究上的进展，但是工程建设中，桩基工程施工时实验模拟和现场测定均会带来更多的人为误差，根据ANSYS模型对桩土作用研究即可减少这种误差，只要正确的设定参数，将会方便快捷的掌握桩基础荷载传递的规律。

1桩-土体系ANSYS模型的建立

1.1桩-土体系的基本参数设定

本文以木桩的ANSYS10.0模型进行建模分析，通过模拟木桩的实际荷载传递规律来分析桩土中荷载传递机理以及相关特性。

在ANSYS建模过程中，木桩的尺寸采用如下数值：桩径34.12mm，桩高度30cm的圆柱形形状，地基土采用天然黄土，假设木桩埋深220cm。

接触单元的弹性模量采取2E+4 ； 泊松比采取0.499，摩擦系数0.2，木桩的弹性模量采取8E+3 ；泊松比采用0.38。

桩在竖向荷载下的工作过程中非常复杂，所以其特性取决于多方面的变通因素，在桩土的作用分析中，一系列的简化是不可避免的。因此在本文在创建ANSYS模型创建的过程中，必须对其真实模型还需要作进一步的简化和处理，具体如下：

(1)考虑到土弹塑性的本构关系，一般土层采用Drucker-Prager(DP)材料模型。DP材料的材料特性值包括粘聚力C、内摩擦角φ和膨胀角φ_f。膨胀角φ_f 被用来控制体积膨胀的大小，对压实的颗粒状材料，当材料受剪时，颗粒将会膨胀，如果膨胀角φ_f=0，则不会发生体积膨胀，其塑性行为被假定为理想弹塑性。另外，此种材料还考虑了由于屈服而引起的体积膨胀，但不考虑温度变化的影响，适用于混凝土、岩石和土壤等颗粒状材料。

(2)在接触界面引入非线性，对于本文中的桩－土三维有限元模型的接触面，将利用面－面的接触单元来模拟桩与土之间的相互作用。采用面－面接触单元有诸多优点：

支持有大滑动和有摩擦的大变形，协调刚度阵计算，单元提供不对称刚度阵的选项。

提供为工程目的采用的更好的接触结果，例如法向压力和摩擦应力。

没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须的，允许有自然的或网格离散引起的表面不连续。

在单元的选择中，先生成面，由面拉伸为体，选用PLANE42单元建面，桩身和土体都采用实体单元，且每个节点都具有X、Y、Z三个方向的自由度，具有塑性、膨胀、应力强化、大变形和大应变的能力，桩的本构模型为线弹性，土体的本构模型为D-P材料为研究对象。

由于桩基和土体相互作用分析问题的复杂性，目前的研究方法主要是采用整体数值分析法，其分析中的一个关键环节是两者相互作用面上的接触问题。本文采用面－面接触，桩体刚性大，其表面作为目标面；土体的刚性相对较小，其与桩体表面接触的部分作为接触面。

1.2桩-土模型的建立

运行ANSYS10.0，先建立土体模型。在主菜单中通过关键点相关指令，即可得到以下系列图形。

图1-1 土体模型建立I

图1-2 土体模型建立II

对土体模型进行网格划分，先给面分配属性，在主菜单上选择指令Main Mene/Preprocessor/mesheing/me

sh Attributes/All Areas,设定后，指定单元划分的形状，MainMene/Preprocessor

/mesheing/meshtool划分后得到如下图形：

图1-3 土体网格划分

按上述桩的尺寸以及相关参数设定建立桩的ANSYS 模型如下图：

图1-4 桩体建模

对桩土体系进行网格划分，得到以下图形：

图1-5 桩土体系网格划分

定义接触单元，并选择节点并定义节点约束，施加自重以及外荷载，在这一部分外荷载定义为1000N，并求解。这样选择主菜单选项就得到以下图形：

图1-6 模型加荷

2桩-土体系的ANSYS求解分析

在做上述工作后会行到ANSYS模拟分析的一个非常重要的阶段就是求解分析，在主菜单中输入相关指令，或是在命令流窗口输入PLNSOL,S,Y ESEL,S,REAL,,2命令后出现如下图形即为桩体的y方向位移图形，如下图所示：

图2-1 桩体等效位移（y方向）等效云图

由图中的信息可知桩顶压缩量为0.70mm，桩底压缩量为0.23mm。从桩体整体来看是从上到下位移变量减小。

再看看土体的位移变化情况，在ANSYS主菜单选择指令，或是在命令流窗口输入PLNSOL,S,EQV ESEL,S,TYPE,3 ETABLE,ST1,NMISC

,41即可查看到如下所示的关于土体位移情况的图形。

图2-2 土体等效位移（y方向）等效云图

从上图显示的数值情况可以知道土体的位移变化是随着桩孔的四周位移变量变小，由图中可以看出，在桩孔底部土体的位移值最大为0.13mm，在桩孔最上部的土体周围的位移则为最小，为0.06mm。

最后再查看桩土接触的土体的应力变化情况，在ANSYS主菜单中输入指令Main Mene/General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu，在弹出的对话框中选择Stress以及von Mises SEQV，即可得到如下图所示的应力云图。

图2-3 桩土接触的应力云图

由图中的信息可以看到，在桩孔底部的应力最大，在孔底四周扩散时应力逐渐变小。最大值为31.28Pa，在桩孔四周远处的区域的应力最小，其值为1.278Pa。

3桩-土ANSYS模型体系不同加载值下求解分析

3.1不同荷载值下的模型分析

在上一节里我们采取的是用ANSYS木桩模型在外荷载为1000N是的位移以及应力图形，以下将分别采取不同外荷载值下的ANSYS图形分析。在下面的分析中包括桩体的材料属性以及尺寸都将不做改变，土体的弹性模量，材料性质以及泊松比也不再调整。桩土接触部分也不做改变，只是在外荷载加载上从1000N变化到2000,3000,4000,5000N,以便于对比计算。在ANSYS命令流程序上将在F,Fy,(集中荷载y方向加载)上给出不同的数值。

当外荷载变为这些数值时（2000,3000,4000,5000N），依照上述1000N的指令选择并加载后得到如下的桩体位移（y方向）等效云图。

图3-1 加载2000N时桩体位移（y方向）等效云图

图3-2 加载3000N时桩体位移（y方向）等效云图

图3-2 加载4000N时桩体位移（y方向）等效云图

图3-3 加载5000N时桩体位移（y方向）等效云图

由上面不同荷载时桩体的位移云图可知，在ANSYS模拟分析的过程中，随着外荷载加载的数值的增大，桩体的位移（y方向）也增加，如上述加载2000N时最大的位移值为0.46mm，而外荷载增加到5000N时，最大的位移变量值增加到1.14mm。相同点是在不同的外荷载的加载过程中变化的规律相同，都是从上到下位移数值递减。

再看看在不同的外荷载（2000,300

0,4000,5000N）加载时，土体等效位移（y方向）的等效云图。

图3-4 加载2000N时土体位移（y方向）等效云图

图3-5 加载3000N时土体位移（y方向）等效云图

图3-6 加载4000N时土体位移（y方向）等效云图

图3-7 加载5000N时土体位移（y方向）等效云图

从上面的各图形的结果中可以看出当外荷载的加载的数值不相同时土体位移是不同的，分析可知不管加载的数值如何，在土体桩孔底部的位移为最大，在桩孔的底部周围为整个模型中最大，而且随着荷载的递增，位移呈现出增大趋势，在不同的数值中位于土体模型的底部均为最小，由此可以知道桩体的外加荷载的增加，土体接触位移变化而增大。而在桩孔附近的位移基本变化不大，由上图中的数值变化可知桩底部分的变幅最为明显。这是因为桩底部分是直接的作用部分，桩土作用时桩最终的受力是由桩端的阻力承担的，而摩阻力只是在一开始就主要受力，且随着深度中增加，最终又减小。上述图中均可看到在桩孔中间部位位移的扩散最大，中下部又扩散减小，而桩端的位移急剧增加，可以看出上述所以桩底部的位移的变化时最为明显。

最后再分析桩土体系中的应力变化情况，以下各图均为在不同荷载（2000,3000,4000,5000N）加载情况下的应力变化情况。

图3-8 加载2000N时桩土接触的应力云图

图3-9 加载3000N时桩土接触的应力云图

图3-10 加载4000N时桩土接触的应力云图

图3-11 加载5000N时桩土接触的应力云图

上面的各图均为在不同荷载数值（2000,3000,4000,5000N）时桩土体系的应力云图，由上述图形可知桩土在接触中应力的变化是随着外加荷载的增加而增大，比如外荷载为2000N时，桩土体系的最大接触应力为65.23Pa,位于桩端底部，而且随着桩端在四周扩散时应力递减，最后减小到1.70Pa。在最后一图中可以看到桩土接触应力最大为170.08Pa，最小为远离桩端的地方，数值为2.69Pa。由上述图形可以看到桩土接触的应力主要分布在桩端，而且桩端的应力变化幅度最为明显。随着荷载的增加，桩土体系的接触应力分布上出入不是太大，都是桩端大致中心处的应力值为最大，往外递减分布。

4 ANSYS模拟结果分析

在做完上述ANSYS模拟分析后，从ANSYS模拟计算结果中提取的位移值，由下表数值可以看到在加载2000,3000,4000,5000N时，桩的等效位移变化情况（y方向），其中下表中的0cm即为作用荷载处桩的位移变化情况，最后一行则为桩端在加载不同数值时的位移变化情况。

图4-1 不同荷载时桩的位移变化走势图

上图中的数值均为ANSYS模拟分析的重要研究部分，因为有了桩体的位移变化情况可以分析桩土体系在荷载传递中应变的变化情况，一般来说桩土体系的应变变化分析中，为了消除误差或其他不利因素影响，需要对已知数据做适当处理，在这里可以利用曲线拟合法求逼近函数，从而使总体上来说偏差达到最小，理论分析认为直接对数据进行插值是不合理的，这样会对结果造成偏差过大，从而使得结果的不正确。桩土体系在不同荷载下原始的应变曲线和拟合曲线下图给出，桩的埋深为22cm。

图4-2 不同荷载下桩基础的原始应变曲线

图4-3 不同荷载时拟合应变曲线

在桩土体系的荷载传递理论中，桩土的接触应力的分析研究是非常重要的一部分内容，通过分析桩土体系的应力分过程析就可以得知桩土体系作用的桩端阻力以及桩基础主要受力过程和主要受力部分。因为在前面的理论中可知桩土体系的主要受力最终是桩端承受，有前面ANSYS图形也可以看到应力分布情况主要围绕桩端。

图4-4 桩土接触应力数值走势图

6结语

桩土相互作用机理相当复杂，在桩基础作用发展的历史上，国内外许多科学工作者曾通过桩基原位试验、模型试验、工程监测和理论分析等多种途径进行过大量试验研究，至到今天也只是对轴向承载竖桩的荷载传递过程有了一定的了解而已，每种荷载传递函数都有各自的适用条件，但是通用的传递函数的模型是不存在，ANSYS模拟分析是桩土体系荷载传递的重要一个部分，这是因为ANSYS结合了计算机模拟方式，这样就可以减少在实验室或是实测过程中人为造成的误差。快捷方便，更能直观的表现出相关的数值和应力位移值，并加以求解。所以在以后的桩基础作用的分析中利用ANSYS模拟分析不免是优先考虑的方式。

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