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1、中 南 公 路 工 程第26卷第1期322001年3月X轴、横向荷载下桥梁基桩受力分析吴 鸣 赵明华张天翔(湖南大学土木工程学院,长沙市,410082)(长沙市房地产开发公司,长沙市,410001) 【摘 要】 轴、横向荷载下,桩与土的相互作用为一三维空间问题。通过综合分析,采用层状横向各向同性弹性半空间地基模型,利用有限元2有限层法,计入桩顶P2$效应对桩身内力的影响,编制了实用的计算机程序,并对桥梁基桩的P2$效应进行了较深入的分析。【关键词】 桩基础 有限元2有限层法 P2$效应 层状地基模型 基桩在轴、横向荷载作用下,不仅其水平力变率、应力水平、应力
2、历史、应力路径、加载率、将使桩身产生较大的弯矩和挠曲变形,竖向力时间及温度等因素之间的函数关系。本文采用也将由于桩身挠曲变形的出现而产生一附加弯层状横向各向同性弹性半空间地基模型,不仅矩(即所谓的“P2$”效应),而这一附加弯矩又分析计算简单,而且能近似地考虑地基土的非将促进桩身挠曲变形的增加,因此其受力分析线性。地基土往往成层沉积而成,呈层状分布,非常复杂,尤其是在大变形条件下更是如此。国在各层内土的性质比较均匀,而各层之间差别内范文田(1986年)、赵善锐(1987年)、王用中较大。在同一层内变形模量、泊松比和剪切模量以及文献[1][2]等分别在“张氏法”和
3、“m”法等也存在差异,呈现各向异性的现象。近20年假设前提下进行过探讨。国外横山幸满(1984来,成层连续体模型日益受到重视,但其数学处[3][4][5]年)、Meyerhof、Sastry等对该项研究进理十分困难。即使是相对来说还稍简单的各向行了大量卓有成效的工作。然而前述研究均基同性多层体系,经过长期努力,目前只较好地解[6][7]于文克尔地基模型,该模型忽略了土介质的连决了空间轴对称问题。我国学者张问清[8]续性,不易考虑土应力2应变关系的非线性特性等发展了一种半解析半数值的方法——有限和充分反映桩2土共同作用的实际情况,存在诸层法,可利用计算机分析任意力
4、系作用下的层多不合理之处。此外,“张氏”法在国内外已趋淘状各向异性(包括横向各向同性)的半空间问汰,“m”法只适用于小变形的情况。因此,本文题。拟采用层状横向各向同性弹性半空间地基模选取适当尺度的有限体域a×b×H来代型,该模型能够通过调整各土层的物理参数来表半空间,沿竖向将其分割为N层,各层都有近似地考虑地基土的非线性,它可以代表范围适用于本层的五个弹性常数E1、E2、L1、L2和广泛的地基。而桩却采用有限单元法,即用有限G2(见图1)。体域的尺度a、b和H的数值按荷元2有限层法分析桩土共同工作,提出轴、横向载作用范围选取,以使边界上的位移可以忽略,荷载下桩与
5、土共同工作的计算模式,并对常取用a=b=L,H=Lö2。如下卧基岩较浅,“P2$”效应进行了较深入的探讨。H取基岩埋藏深度。其边界条件:①A类边界条1 地基模型分析件,见图2中AB所示。x=0和x=a两端面上1.1 层状横向各向同性弹性半空间地基模型u=0,Sxz=0;y=0和y=b两端面上v=0,地基模型是研究土体在受力状态下土体内Syz=0;②B类边界条件,见图2中DE所示。x应力2应变关系,广义地说,它为应力、应变、应=0和x=a两端面上v=w=0,Rx=0;y=X 收稿日期:20002082073国家自然科学基金资助课题(59678025)©1995-2
6、005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1期 吴鸣等:轴、横向荷载下桥梁基桩受力分析 330和y=b两端面上u=w=0,Ry=0。其中的桩不破坏土层的底部支承条件亦考虑有代表性的两种:①连续性。将地基土划分为刚性粗糙支承,见图2中BC所示。该面上u,vn个层元,其分割面含原和w全部为零;②刚性光滑支承,见图2中CD土层的天然分层面,置于所示。该面上w=0,剪应力为零。土中的桩亦相应地划分为n个梁单元。桩与土通过n+1个结点相联结。桩身以下土体除天然分层面外,可
7、按需要做更细的剖分,连同桩身部分,共为N层(见图1)。桩身采用考虑轴力的梁单元(见图3),则可 图3轴、横向荷载桩建立其单元刚度矩阵的有限元2有限层法计算模[Ke]。按通用的对号入座型桩身梁单元的方法可集成桩的总体图1 层状横向各向同性半空间物理模型刚度矩阵[Kp],节点外荷载{P},节点上土的支承反力{R},则桩的平衡方程为:v[Kp]{U}={P}-{R}(1)式中:{U}——桩身结点的位移向量,T{U}=[w1x1U1w2x2U2Kxn+1Un+1](2)地基采用层状横向各向同性弹性半空间地基模型,A类边界条件。则可按有限层方法建立关于节点1～n+1的,在
8、轴、横向荷载作用下-1的
