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2008年8月汕头大学学报(自然科学版)第23卷第3期

Aug．2008JournalofShantouUniversity(NaturalScience)VOI．23No．3

文章编号：1001—4217(2008)03—0o32．O6

竖向荷载对桩基础的水平承载力影响

潘健，胡巍巍

(华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640)

摘要：在考虑均质黏土和均质砂土两种特殊地基情况下，运用三维有限元程序MSC．

MARC，分析竖向荷载作用下桩基的水平反应．分析结果表明，竖向荷载对桩基的水平承载

力有显著影响，在砂土中使桩基水平承载力显著提高，在黏土中则使其稍微减小．

关键词：桩基；水平承载力；竖向载荷；数值模型

中图分类号：TU44文献标识码：A

0引言

目前，工程上在考虑复合荷载作用下桩基的承载力时，往往是单独分析竖向荷载

作用下桩的竖向承载力和沉降[1-2]以及水平荷载作用下桩的抗弯性能p卅，关于竖向荷

载对桩基水平反应影响的研究还很少．国外学者对此做过一些理论研究，Anagnos．

topoulos和Georgiadista通过一个基于二维有限元分析的实验模型研究了这类问题并指

出：在竖向荷载与水平荷载的复合作用下，土应力状态与土连续性方面的改变和局部

塑性体积的改变不能通过传统的地基反力、半无限空间和其它二维方法来解释．鉴于

此，本文通过用三维有限元程序分析复合荷载作用下的桩来研究竖向荷载对桩基水平

承载力的影响。

1数值分析方法

1．1基本原理

本文采用三维有限元分析程序MSC．MARC进行分析．该程序基于一个前处理程

序，它能对桩进行三维网格划分，网格由杆单元、梁单元、4一节点或8一节点等参实体

单元和8一节点零厚度接触面单元等组成．程序还包括一个能绘制初始网格、变形网格

和位移矢量，提取沿一条线或一个面上的节点位移和单元应力的后处理工具．

为分析桩、土相互作用而划分的三维有限元网格如图1所示．根据模型的对称

性，仅分析沿水平荷载作用方向的桩截面．桩和土壤连续体用8一节点等参六面体单元

划分，桩和土之间的接触面用8-节点零厚度的接触面单元模拟．全部等参单元的数值

计算都采用减缩数值积分进行．网格尺寸、网格中节点和单元的数目是在进行了多次

收稿日期：2008—05—14

作者简介：潘健(1963一)，男，广东肇庆人，副教授．E-mail：cvpan@scut．edu．cn

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第3期潘健等：竖向荷载对桩基础的水平承载力影响33

初期试验分析后确定的，试验时，不

断细分网格直到进一步细分的结果(桩

的位移和应力)没有明显变化为止．有

限元分析中，侧向刚性边界的尺寸见

图1．侧向边界上的节点被限制了在

各自平面上的法向自由度，这些平面

表现为刚性、光滑的侧向边界；底面

上的所有节点都被限制了3个方向的

自由度，表现为刚性、粗糙的底面．

整个网格由大约47600个节点、14

000个8一节点六面体单元和1000个

8一节点接触面单元组成．图1分析中使用的标准网格

假定桩是一种线弹性材料．对于黏土，采用VonMises本构模型与相关联流动法

则；对于砂土，采用Drucker-Prager本构模型与非相关联流动法则．Drucker-Prager模

型的破坏准则形式是，=·11+一，其中，，l是应力张量第一不变量，是应力

偏量第二不变量，、是用与黏聚力c和内摩擦角有关的土的抗剪强度参数表达的

材料常数．对于黏土来说，=0，所以上式简化为F=·11+、／．

塑性流动发生时，首先根据材料当时的切线模量和泊松比生成弹性本构矩阵，然

后通