ANSYS有限元软件在CFG桩复合地基中与应用探讨.docVIP

ANSYS有限元软件在CFG桩复合地基中的应用探讨ANSYS有限元分析程序在CFG桩复合地基中应用方法，并在此基础上对CFG桩复合地基的工作机理进行了研究，具体分析了桩、土模量及面积置换率等因素对复合地基沉降量的影响，在同行业中具有借鉴作用。0 引言 ANSYS有限元分析程序是著名的CAE供应商美国ANSYS公司的产品，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS的土木工程专用包ANSYS/Civil FEM用来研究钢结构、钢筋混凝土及岩土结构的特性，如钢结构、房屋建筑、桥梁、大坝、硐室与隧道、地下建筑物等的受力、变形、稳定性及地震响应等情况，从力学计算、组合分析及规范验算与设计方面提出了全面的解决方案，为建筑及岩土工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。本文对刚性桩复合地基进行有限元计算，要求程序能提供多种单元形式(轴对称问题的环状单元、三维单元等)，能够进行弹塑性计算等。ANSYS能够满足这些要求，同时它便捷的前后处理功能节约了大量的时间。用ANSYS程序计算刚性桩复合地基是可行且有效的。本文探讨了ANSYS有限元分析程序在CFG桩复合地基中的应用方法，在此基础上对CFG桩复合地基的工作机理进行了研究，收益颇丰[1]。 1有限元计算模型[1-2] 1．1 土体的本构模型 土体的应力-应变关系非常复杂，它具有非线性、弹塑性、粘弹性、流变性等特征，还受到节理裂隙的影响，在实际计算中要综合考虑到各种因素是非常困难的。在很多的室内模拟试验中，发现在太大的荷载下不论是桩的P-S曲线，还是土体的应力-应变关系都会出现明显的非线性特征，用线弹性模型描述这种关系是不合理的。从已有的对土体强度的模型研究成果中不难发现，弹塑性模型能较好地反映土的非线性特征。本文对作为主要模拟对象的土体采用Drucker-Prager弹性-理想塑性模型。在ANSYS软件中DP材料可以满足该要求。 在DP材料选项的数据表中，需要输入3个值：粘聚力C，内摩擦角(p(0)、膨胀角h。膨胀角 h被用来控制体积膨胀的大小，如果膨胀角为00，则不会发生体积膨胀；如果膨胀角等于内摩擦角，在材料中则会发生严重的体积膨胀。一般来说，膨胀角为00是一种保守的方法。 1．2基本假定 为使问题简化，在有限元计算中模型作如下假定：1)同一种材料为均质、各向同性体；2)桩体、承台为线弹性体，其变形符合虎克定律；3)桩间土为均质单一土层，土和垫层均为Drucker-Prager理想弹塑性模型；4)桩土界面及承台与垫层之间无相对滑移；5)不考虑桩引起的土体原始位移场和应力场的变化。 1．3计算模型 对于单桩问题，可将桩、承台截面按面积相等简化为圆形，这样三维问题转化为轴对称问题，可按平面问题进行计算。桩、土、垫层及承台单元均采用ANSYS程序提供的第42类一二维等参固体单元法(即四边形单元)复合地基的计算范围，网格划分由程序半自动完成，在桩顶、桩端进行网格加密，计算网格单元360个，节点总数为401个；计算域径向从承台边缘外延20倍桩径宽度，竖直方向计算至桩端一倍桩长。靠近桩体附近单元划分比较密，远离桩体较疏。在地基土的下部边界和侧向边界因远离桩体，荷载影响甚微，视为无位移的固定边界，几何模型及网格划分如图1所示。实践表明，计算模型采用的各种材料的几何及力学参数见表1。对于桩土界面仅考虑完全接触、耦合连续变形，不考虑其之间的相对滑移现象。定义完位移约束后进行加载，就可以进行有限元求解了。 由于分析过程需要变换不同的荷载、桩长径比、垫层模量等，该过程计算量大，如果每次都要重新建模费时又费力，所以采用在ANSYS中生成一个可执行的log文件，定义一部分参数，每次新的计算开始，在此文件中修改参数，然后在程序中直接调用即可执行。 2计算结果与分析 本文通过有限元计算对各影响因素对复合地基的影响进行分析。在分析中荷载一律取150kPa，除桩长径比的分析外，桩长一律取5m，土层厚10m。图2为该程序所得到的位移等值线图。 2．1桩、土模量的影响 复合地基中桩体的刚度是影响和计算复合地基沉降的最主要因素之一，当桩体刚度改变时，复合地基的变形将发生很大的变化，其变形特征也将发生较大的变化。 桩体轴向应力随桩土模量比的增加而增加，表明土相对于桩体越软，桩体的应力集中越明显，土体承载力下降，荷载更多地由桩体承担；土体模量越小应力比越大，增大桩体模量也可增大应力比。当土体模量减小时，桩顶、土体的沉降都增加，土体与桩顶的沉降差基本不变，表明桩顶向垫层的刺入量受土体模量影响不大，如图3所示。当增大桩体模量时，两者的沉降都减小，土体与桩顶的沉降差增加显著，图