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1 问题描述 桩基础是桥梁工程中广泛应用的重要基础形式之一。如果场地浅层土的承载力低，无法 满足桥梁结构对地基变形和承载力的要求时，需要考虑采用柱基础。此次课程设计模拟了混 泥土桩基（摩擦型）在竖向均布荷载作用下的反应。 具体设计资料如下： 1.1 柱基础 假定场地的软弱土层较厚，桩端达不到坚硬土层或岩层上，桩顶的荷载主要靠桩身与土 体之间的摩擦力来支承，桩尖处土层反力很小，可以忽略不计。桩身采用C20 混泥土，混泥 E 10 2 3 土抗压弹性模量 =3.2×10 N/m ，混泥土密度2500 KG/m ，混泥土泊松比0.167。 C 1.2 土体 由于桩基对周围土体的影响随着深度和影响半径的增大而逐渐减小，因此土体按照有限 E 8 2 体积来考虑。假设桩身周围的土体均质，土体的抗压弹性模量 =2.6×10N/m ，土体密度 C 3 1900 KG/m ，土体的泊松比0.42，桩基与周围土体的摩擦系数取0.2。 1.3 荷载状况 桥跨上部结构传递下来的荷载简化成竖向均布荷载，直接作用于桩基础顶部，不考虑水 4 平力和弯矩的影响。竖向均布荷载设计值为50×10Pa。 2 单元的选择 2.1 桩基础 混凝土桩基础，采用 SOLID45 单元。SOLID45 单元是八节点三维实体单元,每一个节点 具有三个自由度。单元的几何形状、结点位置和单元坐标系如图1所示。该单元具有塑性、 蠕变、膨胀、应力强化以及大变形大应变和模拟各向异性等功能,所以模型中的桩基础混凝 土单元采用SOLID45 实体单元。 图1 SOLID45 单元 2.2 土体 土体单元选择 170，土体与桩基的接触单元选择 173。ANSYS 中能用于岩土材料的模型 只有DP 模型。DP 模型是理想弹塑性模型，理想弹塑性即应力达到屈服极限以后，应力不再 增大，但是应变会一直增大。 ANSYS 中设定DP 模型需要输入3 个参数，粘聚力，内摩擦角，膨胀角，其中的膨胀角 是用来控制体积膨胀的大小的。在岩土工程中，一般密实的砂土和超强固结土在发生剪切的 时候会出现体积膨胀，因为颗粒重新排列了；而一般的砂土或者正常固结的土体，只会发生 剪缩。 通过命令“TB,DP,2”将土体单元2 定义为DP 材料模型，“TBDATA,,20000,31,29”分 别定义土体的粘聚力200000、内摩擦角31、膨胀角29。 3 本构关系 材料的本构关系由材料本身决定，指材料在力作用下的变形特性（物理方程）。 此次模型中的土体采用DP 材料。在ANSYS 中，这种材料采用的是Drucker-Prager(简 称DP)。DP 屈服准则是莫尔-库伦准则的近似，通常称为广义Mises 准则，它是在Mises 屈 服准则的基础上考虑了平均主应力对土的抗剪强度的影响。DP 准则的屈服面不随材料的逐 渐屈服而改变，因此没有强化准则，其本构模型采用理想弹塑性。该准则的屈服强度随着侧 限压力的增加而增加，考虑了由于屈服而产生的体积膨胀，但不考虑温度变化的影响。 桩基础混凝土采用SOLID45 单元，其本构关系可以用Mises 屈服准则来描述。 4 荷载（工况） 在混凝土桩基础顶部施加竖直向下的均布荷载，大小为500000MPa。对物体施加加速度 9.8。ACEL 命令施加的是加速度而不是重力场，因此施加一个正方向的加速度相当于施加一 个负方向的重力场。 5 边界条件 边界条件分为应力边界条件和几何边界条件。边界条件通过约束的添加来实现。选择 土体的外边界面，施加三个自由度的约束。选择土体的内边界面，施加对称约束。选择土体 的底边界面，施加Z 轴方向的约束。 图2 施加边界约束及荷载 6 求解方法 6.1 建模过程 桩基础尺寸2m×2m×6m，其中埋入地下的桩基础长度为5m，地表以上的桩基础长度为 1m。通过一