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基于ANSYS对桩土共同作用的有限元分析 摘要：桩是指深入土层并提供垂直和侧向支承的较柔的结构构件。因此其与土是紧密相连不可分割的。本文正是为了研究两者之间的相互作用关系，针对某具体桩基工程，利用 ANSYS 大型通用有限元软件，建立了合理的数值计算模型，研究在自重和上部荷载作用下桩体的位移变化规律，土体的位移变化规律，以及桩基的第一主拉应力和第三主压应力的变化规律，分析了桩基础的受力状况，该 研究为桩基础设计提供了一定的依据。 关键词：桩土共同作用；模型建立；结果分析；有限元分析；ANSYS 1背景 桩基础作为一种常用的深基础，在工程建设中得到了广泛的应用。其具有承载力高，稳定性好，基础沉降小且比较均匀，抗震性能好以及能适用于各种复杂地质条件等特点。所谓共同作用就是把上部结构，基础和地基看作是一种协调的整体，在连接点和接触点上满足变形协调，并能求解整个系统的变形和内力，这是广大科技人员在实际工程分析计算中不断摸索总结出来的较为符合实际情况的一种分析方法，并已在工程实际设计中逐步推广适用。本文利用ANSYS大型通用有限元分析软件模拟了桩土之间的相互作用，通过采用具体的工程实例，客观的揭示了桩土之间相互作用的实质，提出了解决ANSYS模拟桩土问题的合理思路，对于桩土接触面力学参数正确取值有一定的参考价值。 2有限元模型建立 2.1 模型建立及参数选择 土体的尺寸相对于桩体要大得多，参考已有的相关文献得知：沿水平向，距桩径中心5 m以外以及桩端3 m以下的土体的位移很微小，并且本模型主要分析桩土接触的应力应变关系，所以模型水平方向取7 m，竖向取14m，所建立的有限元模型如图 1 所示。考虑到研究的需要，可以将桩与土体的作用问题转化为桩土的静力分析问题；而桩与土的接触变形是一类非线性问题，但它既非几何非线性也非材料非线性，而是属于边界条件非线性问题。而目前提出的接触面单元模型很多，在岩土工程中以1968年Goodman等人提出的节理单元应用较为广泛。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。因此，本模型的建立正是在采用了上述假设基础上，考虑到桩仅受竖向均布荷载的作用，利用对称性取四分之一模型进行分析（若桩受水平力作用就不能取1/4模型分析）。采用矩形网格对土体进行单元划分，网格尺寸为0.5×0.5×0.5m。共划分9576个单元，11150个节点。建立的有限元模型如图1所示。其中，土体尺寸为，设土材料为完全弹性材料，弹性模量为，泊松系数为0.42，密度为，黏聚力为，摩擦角为，膨胀角为。 图1 有限元模型 2.2 边界条件 土体与桩体相互作用发生沉降时，土体和桩体的底面及侧面固结，约束全部自由度；两1/4界面约束水平方向位移（即对称约束），允许有竖向位移和不同方向转动；顶面完全自由。本文中的桩-土3D有限元模型的接触面，将利用面与面接触的Targe170、Conta173单元来模拟，该单元的特点是能进行大变形计算，如较大尺寸的张开、滑移等。接触面算法采用扩展的拉格朗日乘子法。由于模拟重点是桩土接触模拟，所以桩体采用线性的Solid45单元。 2.3 载荷条件 如图2所示的混凝土方桩，桩长，断面尺寸为，入土深度为，设桩顶作用一竖向均布荷载，荷载值为。 图2 桩土构造（单位：m） 2.4 接触力的确定 2.4.1有限单元法基本方程 在所有节点上以节点位移为未知量，n个节点位移用向量可表示为[1] (1) 由式 (2) 逐个单元体地规定了整个连续体中的位移状态，用近似表示系统的真实位移。式中，为单元体位移；为统一的形函数；为单元体节点位移。 由极小势能原理可得到如下方程: (3) 式中，为总体等效节点力；为总体刚度矩阵。 2.4.2应力、应变计算 (4) 式中，L为适当的线性算子；U为节点位移。 (5) 式中，D为材料弹塑性矩阵；、为初始应变、应力。其实，这就是弹塑本构模型的另一表达式。 2.4.3桩身轴力的计算 由三维模拟计算得出每个桩身截面y方向的应力，由下式得出每个截面桩身的轴力[2]: (6) 式中，A为桩横截面面积； 为桩第i截面处的