樁土相互作用
關注創建者：小V 創建時間：2016-12-26
樁土相互作用的視頻教程
abaqus-002連接器connector高壓輸電鐵塔樁基礎樁土相互作用土彈簧高壓輸電線振動頻率分析（2025-09-22）
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abaqus-002連接器connector模擬大型單樁海上風機py法P-Y法土彈簧樁土相互作用(2025-09-11)
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樁土相互作用的實例教程
本次推送算例以一處高樁碼頭考慮樁-土相互作用收靜載作用下的分析。
研究樁體工作形狀是對基樁豎向力學行為分析的前提。樁體與周圍土體的剛度相差很大，一般在兩者的界面處不滿足變形協調條件，次數就需要解除單元來進行處理。因此，從樁-土相互作用的角度出發，研究樁體-土體的荷載傳遞方式和樁、土層材料對基樁豎向承載性能的影響，對正確評價樁基豎向承載能力具有重要意義。
樁-土相互作用中所采用的單元
由于土體本身的復雜性、土層材料的非線性，土體與結構之間的摩擦相互作用產生非連續的變形，從而使得求解變得更加困難。目前常見的接觸面處理的方式有：（1）直接法；（2）接觸力學法；（3）接觸面單元法，即在兩相鄰接觸物體邊界上，引入接觸面單元，在相鄰接觸物體間起過渡作用，通過增量和迭代手段調整單元本構模型中的參數，模擬其應力-應變關系，該方法操作簡單，概念清晰，易于實現。
ANSYS中對于3D接觸單元設置，采用面-面接觸的方式。通常將剛性物體的面，作為目標面，即Targe170單元，對于柔性物體的表面，當做接觸面，常采用Conta173單元。
有關接觸單元和目標單元的控制選項與輸出，詳情可去參考王新敏老師的《ANSYS結構分析單元與應用》一書，里面總結的非常詳細，對于每個參數的取值與物理含義都解釋的面面俱到。
在實際工程中，樁土相互作用接觸面的摩擦系數選取比較復雜，它與樁側表面的粗糙程度有關，當破壞面主要由土體的抗剪強度控制時，摩擦系數可能是較大的。一般混凝土樁，對粘性土的摩擦系數為0.25~0.4；對砂土的摩擦系數為0.5~1.0。--以上內容，部分節選自博士論文《高樁碼頭樁豎向荷載下靜動力行為研究》
2.
展開 樁-土相互作用一直是有限元模擬類比較頭疼的問題，常規分析方法分為兩種：
1、采用接觸單元模擬樁-土相互作用，此種方法非線性程度較大，且計算耗時，占用計算資源較多，多用于實體單元模擬局部細微結構情況，例如常見的單樁靜力分析。
2、采用彈簧間接模擬樁-土相互作用，此種方法將樁-土之間的相互作用采用等效彈簧來進行模擬，適用于一般工程類設計，且我國規范諸多條文中均有一定的計算方法，常見設計軟件例如Midas civil也均采用此類方法進行模擬。
本次計算模擬采用上述第二種方法進行。
一、工程概況
承臺全樁基礎斷面尺寸為8.5m*8.5m，如下圖所示。其中，承臺厚3m，全樁長32m，采用4根直徑為2m的鉆孔灌注樁，樁基礎混凝土全部采用C30混凝土，彈性模量，泊松比μ=0.2，質量密度為2500kg/m3，地基土的水平抗力系數的比例系數m=10000kN/m^4,上部荷載為軸力F=31450KN，水平剪力V=2487KN，彎矩M=5874KN.m，采用ANSYS對其進行靜力計算分析。
二、模擬思路
按照規范，地基土堆樁柱側面的地基系數隨深度y成正比例增長，即C=my（m是“m”法的地基系數），故可先從覆蓋層頂面（沖刷線）向下繪出地基系數圖，如下圖所示。本例將樁柱全長等分為18段，各中間集中彈簧的剛度可按下式計算：
頂部集中彈簧的剛度為：K0=W0*b
各集中彈簧計算剛度如下
按照上述思路，本工程計算模擬思路如下：
1）采用beam188模擬樁基礎與承臺；
2）承臺與樁基礎樁頂采用MPC184剛臂單元模擬剛接關系；
3）采用彈簧單元模擬不同深度處土層對樁的作用，通過不同彈簧剛度實現。
展開 接觸是target170和173，土體和樁體是solid185采用edp本構，keyopt（1）=0，keyopt（12）=2，keyopt（10）=2，keyopt（4）=2，接觸間方向互指，摩擦系數也定義由于是edp，沒有粘聚力等，樁側摩擦力結果為0，樁底有不同程度摩擦結果。
高樁承臺的承臺底面位于地面(或沖刷線)以上，低樁承臺的承臺底面位于地面(或沖刷線)以下。
a) 低樁承臺 b) 高樁承臺
高樁承臺的特點：由于承臺位置較高或設在施工水位以上，可減少墩臺的圬工數量，避免或減少水下作業，施工較為方便。然而，在水平力的作用下，由于承臺及基樁露出地面的一段自由長度周圍無土來共同承受水平外力，基樁的受力情況較為不利，樁身內力和位移都比同樣水平外力作用下的低樁承臺要大，其穩定性也比低樁承臺差。
低樁承臺的特點：施工較為復雜。在水平力的作用下，由于承臺及基樁共同承受水平外力，基樁的受力情況較為不利，樁身內力和位移都比同樣水平外力作用下的低樁承臺要小，其穩定性比高樁承臺好。
2.4 按成樁方法分類
按施工方法分類, 樁基礎主要分為沉樁和鉆孔灌注樁.
2.5 按設置效應分類
按設置效應分類, 樁基礎可以分為擠土樁, 部分擠土樁和非擠土樁.
2.6 按受力條件(樁土相互作用)分類
按樁土相互作用分類,主要可分為摩擦樁和端承樁. 摩擦樁---穿過并支承在各種壓縮性土層中，在豎向荷載作用下，基樁所發揮的承載力以側摩阻力為主時，統稱為摩擦樁。端承樁---樁穿過較松軟土層，樁底支承在堅實土層(砂、礫石、卵石、堅硬老粘土等)或巖層中，且樁的長徑比不太大時，在豎向荷載作用下，基樁所發揮的承載力以樁底土層的抵抗力為主時，稱為端承樁或柱樁。
a) 端承樁 b) 摩擦樁
2.6 按樁身材料分類
按樁身材料分類, 可分為鋼樁(鋼管樁和H型樁, Steel Piles), 鋼筋混凝土樁(Concrete Piles)和木樁(Timber Piles). 木樁在現代建筑中基本上不再使用.
鋼樁的優點是可根據荷載特征制作成各種有利于提高承載力的斷面。
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3.
這種方法特別適合樁土相互作用、沖擊載荷和復雜邊界問題的研究。
在模型構建中，除考慮土體強度隨埋深的變化外，還引入了 應變軟化 與 應變率效應 兩個關鍵因素。應變軟化反映了土體在達到峰值強度后強度逐漸降低的特性，對預測貫入阻力和樁周土體擾動范圍具有重要意義。而應變率效應則考慮了土體在高速加載下強度和剛度隨加載速率的增加而提高的規律。
</p><p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202412/4f5083561fb092ba5c8cc7a1d7cec72f.png"></p><p>圖6路基邊坡有限元分析</p><p>樁土共同作用分析：樁土相互作用復雜，傳統確定單樁荷載 - 沉降關系的方法對大直徑樁試驗難度大，ABAQUS 憑借完善的土體本構模型和良好的樁土接觸功能，可方便進行樁土共同作用分析
接觸是target170和173，土體和樁體是solid185采用edp本構，keyopt（1）=0，keyopt（12）=2，keyopt（10）=2，keyopt（4）=2，接觸間方向互指，摩擦系數也定義由于是edp，沒有粘聚力等，樁側摩擦力結果為0，樁底有不同程度摩擦結果。
樁-土相互作用研究和分析，包括仿真計算和試驗。
建立的模型：
模擬效果：
連續錘擊下，對應打樁錘、樁頂部和樁內土塞表面的位移(僅為技術可實現的效果示意圖)
計算說明：
在2D情況下實現3維的打樁錘擊及貫入效果，2D模型模擬了真實的打樁錘，并模擬出同3D一樣的打樁錘擊效果，即錘-樁-土之間的相互作用在2D情況下被考慮，2D打樁錘會先自由落體運動，然后打擊樁頂部并在作用力與反作用力的作用下自動實現錘的反彈
圖5-3上部結構層間位移
6 結論
本文基于有限元軟件Abaqus，建立了考慮土—樁相互作用的隔震結構安全性有限元技術體系。建立土-樁-隔震結構耦合的動力彈塑性分析模型，通過施加了El波與多條人工波，研究了隔震結構在考慮土—樁相互作用下的彈塑性時程響應。
結果表明：該方法可用于考慮土—樁—隔震結構的地震安全性水平及結構層面水平的分析。
</p><p>2.2海上風電塔其他部件建模</p><p>（1）樁土相互作用模擬</p><p>常用的樁土相互作用計算方法包括假想嵌固點法、m法及p-y曲線法，由于m法及p-y曲線法需要設置大量的非線性彈簧約束，在計算過程中不易收斂，因此選用假想嵌固點法模擬風電塔樁土相互作用。假想嵌固點法示意圖如圖9所示，樁的受彎計算長度等于樁在土面以上的自由長度與樁在土中的嵌固深度之和。
3.考慮樁土的相互作用效應，支承剛度的調整宜采用強化指數進行控制。核心區強化指數宜為1.05~1.30，外框區弱化指數宜為0.95~0.85。
4.對于主裙連體建筑，應按增強主體，弱化裙房的原則進行設計。
5.樁基的樁選型和樁端持力層的確定，應有利于應用后注漿技術，應確保單樁承載力有較大的調整空間。
這是因為隨著循環加載的進行，上部土層由于循環荷載作用逐漸減弱且喪失了部分承載力，同時由于荷載重分布的原因下部土體將承擔更多荷載，使樁土相互作用的影響范圍擴大，進而引起最大彎矩點位置向下移動。
