岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (7): 1995-2003.doi: 10.16285/j.rsm.2020.1763

• 岩土工程研究 • 上一篇    下一篇

基于高性能有限单元法的多层地基水平 受荷桩受力分析

赵海鹏1,黎学优1, 2,万建宏1,郑翔之1,刘思威3   

  1. 1. 中山大学 土木工程学院,广东 广州 510275;2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519082; 3. 香港理工大学 土木与环境工程学系,香港 999077
  • 收稿日期:2020-11-26 修回日期:2021-04-07 出版日期:2021-07-12 发布日期:2021-07-19
  • 通讯作者: 黎学优,男,1988年生,博士,教授,主要从事基础工程、计算岩土力学、可靠度理论等方面的研究。E-mail: lixueyou@mail.sysu.edu.cn E-mail: zhaohp6@mail2.sysu.edu.cn
  • 作者简介:赵海鹏,男,1995年生,硕士研究生,主要从事基础工程设计理论与方法的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(No. 51909288);广东省科技厅项目(No. 2019ZT08G090)

Analysis of laterally-loaded piles embedded in multi-layered soils using efficient finite-element method

ZHAO Hai-peng1, LI Xue-you1, 2, WAN Jian-hong1, ZHENG Xiang-zhi1, LIU Si-wei3   

  1. 1. School of Civil Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou, Guangdong 510275, China; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai, Guangdong 519082, China; 3. Department of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong 999077, China
  • Received:2020-11-26 Revised:2021-04-07 Online:2021-07-12 Published:2021-07-19
  • Supported by:
    This work was supported by the National Science Foundation of China (51909288) and the Guangdong Provincial Department of Science and Technology (2019ZT08G090).

摘要: 多层地基水平受荷桩的受力变形特性分析是设计中的关键步骤。针对传统有限单元法在准确性与计算效率上的不足,提出了一种用于分析该类桩基的高性能有限单元法。该法构建了一种桩单元,并采用分布在单元内部的连续“土体弹簧”反映非线性桩?土相互作用。其最大特点是在桩单元内部整合了“土体弹簧”,即桩单元同时包含了桩体与土体信息。推导了适用于多层地基中的桩单元,并引入高斯?勒让德方法简化总势能求和过程;推导了单元刚度矩阵并运用在牛顿?拉夫逊增量迭代数值分析中,引入割线关系减少迭代过程中的累计误差。此外,该法还通过更新拉格朗日方法来考虑几何大变形。算例结果表明:高性能有限单元法与解析解及现场试验结果吻合较好;在多层地基条件下,桩单元模型较离散弹簧单元模型可大幅减少单元数目及计算时长,可有效提高计算效率。

关键词: 水平受荷桩, 有限单元法, 桩?土相互作用, 桩单元, 多层地基

Abstract: Mechanical analysis of laterally-loaded piles embedded in multi-layered soils is a critical step in design. Traditional finite-element method may have deficiency in accuracy and efficiency when applied to analyze this problem. An efficient finite-element method is proposed in this paper. A “pile element” that adopts the distributed “soil springs” along the element length to reflect the nonlinear behaviors of the pile-soil interactions is developed in this method. The dominant feature of the pile element is the direct integration of soil properties into the element formulation, namely, a pile element comprises both the pile and soil properties. The pile element formulation in multi-layered soils is derived, and the Gauss-Legendre method is introduced to simplify the total potential energy summation process. The element stiffness matrix is derived and applied to Newton-Raphson incremental iterative numerical process, and the secant relations are used to minimize the cumulative errors during the numerical iteration process. Besides, the updated Lagrangian method is employed to account for the large deformation issue. Results show that: 1) the proposed method can provide predictions that match well with both the theoretical solutions and field test data; 2) using the pile element model can substantially reduce the number of elements and calculation time compared with those of the discrete element model, and thus significantly improve the calculation efficiency.

Key words: laterally-loaded piles, finite element method, pile-soil interaction, pile element, multi-layered soils

中图分类号: 

  • TU 473.1
[1] 黄福云, 何凌峰, 单玉麟, 胡晨曦, 周志明, . 整体式桥台−混凝土桩−土相互作用拟静力试验[J]. 岩土力学, 2021, 42(7): 1803-1814.
[2] 次惠岭, 白冰, 雷宏武, 崔银祥, . 有限单元内部场量的高精度求解[J]. 岩土力学, 2021, 42(11): 3137-3146.
[3] 宋义敏, 凌小康, 张敬宗, 朱晨利, 任何, 苑德顺. 基于数字散斑相关方法和有限元法的岩土 材料力学参数反演[J]. 岩土力学, 2021, 42(10): 2855-2864.
[4] 万建宏, 郑翔之, 欧阳苇航, 刘思威, 黎学优. 基于高性能有限单元的单桩稳定性分析法[J]. 岩土力学, 2020, 41(8): 2805-2813.
[5] 张小玲, 朱冬至, 许成顺, 杜修力, . 强度弱化条件下饱和砂土地基中桩−土 相互作用p-y曲线研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(7): 2252-2260.
[6] 张磊, 海维深, 甘浩, 曹卫平, 王铁行, . 水平与上拔组合荷载下柔性单桩 承载特性试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(7): 2261-2270.
[7] 贺志军, 雷皓程, 夏张琦, 赵炼恒. 多层软土地基中单桩沉降与内力位移分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 655-666.
[8] 周凤玺, 马强, 周志雄, . 二维地基中空沟−波阻板联合隔振屏障分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(12): 4087-4092.
[9] 邓涛, 林聪煜, 柳志鹏, 黄明, 陈文菁, . 大位移条件下水平受荷单桩的简明弹塑性计算方法[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 95-102.
[10] 杨明辉,冯超博,赵明华,罗 宏. 考虑坡度效应的水平受荷桩应变楔计算方法[J]. , 2018, 39(4): 1271-1280.
[11] 荣雪宁,徐日庆,冯苏阳,仇 涛,. 基于拉格朗日乘数法的大弯矩水平受荷桩研究[J]. , 2017, 38(9): 2605-2612.
[12] 罗 滔,E. T. Ooi,A. H. C Chan,傅少君,. 一种模拟堆石料颗粒破碎的离散元-比例边界有限元结合法[J]. , 2017, 38(5): 1463-1471.
[13] 张 锟,徐 青,王一凡,阿湖宝. 自适应差分进化算法在边坡滑面搜索中的应用[J]. , 2017, 38(5): 1503-1509.
[14] 李洪江,刘松玉,童立元, . 基于应力增量的单桩p-y曲线分析方法[J]. , 2017, 38(10): 2916-2922.
[15] 杨晓峰,张陈蓉,黄茂松,袁聚云,. 砂土中桩土侧向相互作用的应变楔模型修正[J]. , 2016, 37(10): 2877-2885.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 姚仰平,侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 徐金明,羌培,张鹏飞. 粉质黏土图像的纹理特征分析[J]. , 2009, 30(10): 2903 -2907 .
[3] 向天兵,冯夏庭,陈炳瑞,江 权,张传庆. 三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2908 -2916 .
[4] 石玉玲,门玉明,彭建兵,黄强兵,刘洪佳. 地裂缝对不同结构形式桥梁桥面的破坏试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2917 -2922 .
[5] 夏栋舟,何益斌,刘建华. 土-结构动力相互作用体系阻尼及地震反应分析[J]. , 2009, 30(10): 2923 -2928 .
[6] 徐速超,冯夏庭,陈炳瑞. 矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. , 2009, 30(10): 2929 -2934 .
[7] 张力霆,齐清兰,魏静,霍倩,周国斌. 淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律[J]. , 2009, 30(10): 2935 -2939 .
[8] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[9] 易 俊,姜永东,鲜学福,罗 云,张 瑜. 声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型[J]. , 2009, 30(10): 2945 -2949 .
[10] 陶干强,杨仕教,任凤玉. 崩落矿岩散粒体流动性能试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2950 -2954 .