OptumG2

案例67：排桩-入门案例

　　本案例介绍了OptumG2中「排桩」单元的使用方法和特性。图67.1中对单排桩进行了分析。桩穿过了14m深的土层，其中上部为深6m的黏土层，采用Tresca材料本构，下部为深12m的砂土层，采用Mohr-Coulomb材料本构。桩为直径0.5m的圆形桩，重度为25kN/m3，杨氏模量为20,000MPa，纵向间距为2m。

图67.1 采用「排桩」单元模拟深基础

　　需要输入的桩土间强度参数类型由表67.1中总结的众所周知的公式得到。由于桩穿过了两层土体，因此需要使用两种不同的排桩材料。参数计算方法如下。

　　表67.1 桩土轴向、法向和桩端强度计算公式。D = 桩径，P = 桩周长，A = 桩截面面积，z = 距离地表的深度，σ_v' = 竖向有效应力（受压为正）。系数C1、C2、C3为API （2000）标准中图6.8.6-1中曲线的拟合系数（API：美国石油学会）。

QQ图片20170315143540.png

黏土

　　对于黏土层，轴向强度（桩侧摩阻力）由下式计算得到：

公式1.png

　　法向强度（水平承载力）沿竖向线性变化：

砂土

　　对于砂土层，轴向强度（桩侧摩阻力）沿竖向线性变化：

　　其中桩土接触面摩擦角为δ=2/3 φ=23.33°，土压力系数K₀=1-sinφ=0.43，φ为砂土Mohr-Coulomb材料模型的内摩擦角。

　　法向强度（水平承载力）沿竖向线性变化：

　　最后，桩端强度由下式计算得到：

　　其中Ψ=1.3。

　　图67.2中总结了桩土间强度参数的取值。

图67.2 桩土间强度参数

67.1 极限分析

　　分别对排桩施加竖向、水平和弯矩荷载并进行极限分析，以评估排桩的极限承载力。采用10000个6节点-高斯单元计算得到的结果如图67.3所示。从图中可以看出，对于受竖向荷载的情况，破坏时桩土之间只有相对较小的相互作用，然而，对于受水平或弯矩荷载的情况则恰好相反。

图67.3 排桩在竖向荷载（上）、水平荷载（中）和弯矩荷载（下）作用下的破坏模式及剪切耗散云图

67.2 弹塑性分析

　　对于受水平或弯矩荷载的情况，桩身位移很大时才能达到桩的极限承载力，因此，上述极限分析得到的极限荷载在某种程度上可能会产生误导。为了对排桩的承载力和变形进行更有意义的分析，这里我们采用指定的位移或转角荷载对排桩的三种受荷情况进行弹塑性分析，结果如图67.4中的荷载位移曲线所示。对于受竖向荷载的情况，荷载位移曲线的非线性由极限桩侧摩阻力（轴向强度）的逐渐达到引起，破坏发生时，桩端达到其相应的极限强度（桩端强度）。对于受水平或弯矩荷载的情况，由于黏土层的水平承载力逐渐达到，荷载位移曲线逐渐偏离最初的线弹性曲线。如果桩的水平承载力为无限大，那么得到的最终荷载位移曲线即为图中的虚线。当砂土层的水平承载力完全达到时，就得到了桩的极限水平承载力，但是这种情况仅在桩身位移很大时才会发生。图67.5说明了在水平荷载（位移荷载）作用下，土体将逐渐达到其水平承载力。