ANSYS分析弹性模量对基桩承载力的影响

　　摘要：近年来，我国交通出行需求日益提高，高等级公路建设已进入关键时期，同时对公路桥梁的建设提出了新的要求：1、数量在增多；2、对桥梁的承载能力及耐久性提出了更高的要求。本文利用有限元分析软件ANSYS，通过模拟基桩在混凝土弹性模量改变时基桩的沉降情况来分析桩土参数对基桩承载力的影响。
　　关键词：桩土接触，弹性模量，ANSYS
　　1、单桩容许承载力的确定
　　对于钻孔灌注桩的基桩轴向容许承载力，可由静载试验法、经验公式法、静力触探试验以及大应变法确定基桩容许承载力。
　　1.1静载试验法
　　静载试验确定单桩容许承载力是在通过试验绘制的P-s曲线上取特征点所对应的作用荷载作为极限荷载，然后将极限荷载值除以安全系数（规范规定为2）确定单桩容许承载力。
　　1.2经验公式法
　　《公路桥涵地基与基础设计规范》根据大量静载试验结果，给出了各种桩型的单桩容许承载力估算公式。
　　1.3静力触探试验
　　静力触探法是利用触探仪的探头贯入土中时的贯入阻力与单桩在土中的工作性状有相类似的特点，将所测得的探头的贯入阻力经分析研究，确定轴向受压单桩容许承载力。
　　1.4其他方法
　　除上述方法外，我们还可以按照大应变法、静力法确定单桩容许承载力。
　　2、有限元模拟
　　2.1有限元法分析问题的基本步骤
　　（1）结构离散化，将结构或连续介质离散为有限个单元；
　　（2）选择位移模式，确定位移函数；
　　（3）分析单元力学特性；
　　（4）建立刚度方程；
　　（5）利用刚度方程求出节点位移，进而求出单元的应力、应变。
　　2.2实例分析
　　2.2.1选择单元类型
　　桩身和土体均采用8节点实体单元Solid45模拟，土体采用DP材料。桩体与土体接触面刚体—柔体面面接触，定义桩底面与桩侧面为刚性目标面，目标面单元选取targe170，定义与桩底与桩侧接触的土体的内侧为接触面，采用conta173单元模拟。
　　2.2.2基桩参数选取
　　此试桩截面为圆形，桩径1m，桩长15.2m，建模时取1/4桩模型进行分析，基桩入土深度为14.5m，上部0.5m暴露在土体外面，土体模型桩侧面取5倍桩径，土体深度取2倍桩长，深度为30m，混凝土弹性模量取30MPa。
　　2.2.3建立有限元模型
　　对该模型进行映射网格划分，映射体网格只含有六面体结构，比自由网格有更高的求解精度。映射网格划分后的模型如图1。
　　
　　图1桩土有限元模型网格划分
　　2.2.4设置面面接触
　　与土体接触的桩体侧面和底面作为目标面采用Targe170单元，与桩体接触的土体表面作为接触面采用Contac173单元，经试算本模型法向接触刚度Fkn取为1，同样，切向接触刚度也取为1。
　　2.2.5定义约束
　　桩体与土体的两个侧面为对称约束，土体底面约束全部自由度，桩和土的顶面为自由面。
　　2.2.6加载及求解
　　施加轴向荷载，按照静载试验的加载步骤，分为十级加载，一级加载500kN，加载至基桩极限承载力5000kN，在软件中运用时间—载荷子步数目方式控制，time1，time2……。当加载至500KN时，可以从模型沿Z方向位移等值线图中观察到桩顶沉降为0.0021m，如图2。继续加载至5000KN时，桩顶沉降为0.0374m，如图3。
　　2.2.6改变参数并求解
　　改变桩身混凝土弹性模量，分别增加、减小30%，及桩身混凝土弹性模量取为21Mpa和39Mpa，观察桩顶沉降，发现桩顶沉降为0.0385m，0.0368m，分别变化2.9%和1.6%。由此可见，桩身混凝土弹性模量的变化不会影响到基桩极限承载力。
　　
　　图2P=500KN时模型Z方向位移等值线图图3E=30Mpa时模型Z方向位移等值线图
　　3、结论
　　1）可以运用Ansys软件模拟桩土接触面，根据静载试验的加载方式对基桩施加轴向荷载，并得出基桩桩顶的位移。
　　2）可以采用Drucker-Prager模型模拟土体，但是模拟参数的不确定性易造成收敛困难。
　　3）桩身混凝土弹性模量的变化对桩顶位移影响不大。对桩身混凝土弹性模量分别增大和减小30%，桩顶位移分别变化2.9%和1.6%，通过增大桩身混凝土弹性模量来提高基桩极限承载力的方法是无效的。
　　参考文献：
　　1.孙毅．ANSYS在桩土共同作用分析中的应用[J]．苏州城建环保学院学报，2002，,12．
　　2.王平．桩-土-承台体系动力相互作用的数值模拟[D]．天津：河北工业大学硕士学位论文，2006
　　3.王先军．ANSYS在模拟桩土接触中的应用[J]．森林工程，2006，22(3)：49-51．