岩土力学 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (8): 2805-2813.doi: 10.16285/j.rsm.2019.1611

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

基于高性能有限单元的单桩稳定性分析法

万建宏,郑翔之,欧阳苇航,刘思威,黎学优   

  1. 中山大学 土木工程学院,广东 珠海 519082
  • 收稿日期:2019-09-17 修回日期:2019-12-13 出版日期:2020-08-14 发布日期:2020-10-18
  • 通讯作者: 刘思威,男,1985年生,博士,副教授,主要从事梁柱单元理论、钢结构稳定性理论和钢混凝土组合结构等方面的研究工作。 E-mail: liusw8@mail.sysu.edu.cn E-mail:wanjh7@mail2.sysu.edu.cn
  • 作者简介:万建宏,男,1995年生,博士研究生,主要从事桩基础设计理论与方法的研究工作。
  • 基金资助:
    中山大学科研启动金(No. 76140-18831105);中山大学2019年实验室开放基金项目(No. 201902146)。

Stability analysis of single pile base on efficient finite-element method

WAN Jian-hong, ZHENG Xiang-zhi, OUYANG Wei-hang, LIU Si-wei, LI Xue-you   

  1. School of Civil Engineering, Sun Yat-Sen University, Zhuhai, Guangdong 519082, China
  • Received:2019-09-17 Revised:2019-12-13 Online:2020-08-14 Published:2020-10-18
  • Supported by:
    This work was supported by Early Research Career Scheme Grant of Sun Yat-sen University (76140-18831105) and the 2019 Laboratory Open Fund Project of Sun Yat-sen University (201902146).

摘要: 现行的桩基设计方法主要基于线弹性理论及采用半经验假定,难以准确地检验长桩在土体非线性条件下的稳定性。基于非线性有限单元分析理论,提出了高性能桩单元分析法用于非线性分析,可直接检验单桩稳定性且无需假定桩的计算长度系数。在桩单元推导过程中,通过整合在单元内部的连续弹簧以考虑土-结构相互作用(SSI),能够大幅提升计算效率。使用牛顿-拉夫逊迭代法进行迭代运算,利用推导的相应单元切线刚度矩阵预测位移,并通过割线关系减少每一步迭代中产生的误差,在桩的大变形条件下采用更新拉格朗日法确定平衡条件。算例验证表明,桩单元模型在考虑土体非线性条件下,能高效、可靠地对单桩进行分析和设计。

关键词: 单桩, 有限单元, 土-结构相互作用, 桩单元, p-y曲线

Abstract: Currently, the semi-empirical design method based on the linear elastic analysis assumption is commonly employed, which is incapable of examining the stability of the long pile embedded in complex ground mediums accurately. To this, this research adopts the nonlinear finite element method to establish an efficient pile element model for nonlinear analysis of piles. This approach can be utilized in nonlinear buckling stability analysis without assuming effective length factors. This paper elaborates the basic theory of the pile element. It’s worth noting that, the continuous springs along the element are integrated into the pile element formulations for considering the soil structure interaction (SSI) responses, which can significantly improve the computing efficiency. The element tangent stiffness matrixes are accordingly formulated for predicting displacement, and the secant relations are developed for eliminating accumulative errors in a Newton-Raphson incremental-iterative numerical procedure. The Updated- Lagrangian (UL) approach is developed for simulating large deflections of piles. Finally, several benchmark examples are provided for verifying the accuracy and efficiency of the proposed pile element model in analysis and design of piles with nonlinear surrounding soil.

Key words: single pile, finite-element, soil structure interactions, pile element, p-y curve

中图分类号: TU 473.1
[1] 杨明辉, 蔡明辉, 陈波, 杨汉, . 考虑波致海床动态响应的单桩水平阻抗计算方法[J]. 岩土力学, 2025, 46(5): 1563-1572.
[2] 田抒平, 王振钰, 张陈蓉, . 大直径单桩基础海上风机非线性共振特性[J]. 岩土力学, 2025, 46(1): 156-164.
[3] 马建勋, MOHAMMED El Hoseny, 庞盼望, 李文枭, 闫洪祥. 考虑土−结构相互作用的地下室层对高层建筑地震反应影响研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(9): 2808-2822.
[4] 周攀, 李镜培, 李盼盼, 刘耕云, 张超哲, . 基于界面本构模型的砂土中单桩荷载−沉降响应预测方法[J]. 岩土力学, 2024, 45(6): 1686-1698.
[5] 张聪, 冯忠居, 林路宇, 周桂梅, 陈露, . 震陷场地变截面单桩动力特性与损伤评价[J]. 岩土力学, 2024, 45(10): 3037-3046.
[6] 赖踊卿, 李炜, 戚海峰, 何奔, 王欢, . 海上风电大直径单桩基础循环重固结效应离心机试验研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(10): 2994-3002.
[7] 吴小锋, 张笛, 李星, 汪玉冰, 文凯, . 可液化场地桩基震后水平变形预测模型研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(1): 77-86.
[8] 江杰, 付臣志, 柴文成, 欧孝夺, . 砂土地基中桩顶竖向-水平加载路径下柔性单桩水平承载力分析[J]. 岩土力学, 2023, 44(5): 1375-1384.
[9] 朱彦鹏, 吴林平, 施多邦, 赵壮福, 吕向向, 段新国, . 基于Pasternak地基模型的非线性土抗力−桩 身侧向位移曲线在基坑支护桩中的应用[J]. 岩土力学, 2022, 43(9): 2581-2591.
[10] 阮升, 金亚兵, 徐晶鑫, 孙勇, . 非对称荷载单层对撑基坑计算方法研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(8): 2296-2304.
[11] 马建军, 韩书娟, 高笑娟, 李达, 郭颖, . 层状土场中冲刷作用下部分埋置单桩动力响应分析[J]. 岩土力学, 2022, 43(6): 1705-1716.
[12] 冯忠居, 孟莹莹, 张聪, 赖德金, 朱继新, 林路宇, . 强震作用下液化场地群桩动力响应及p-y曲线[J]. 岩土力学, 2022, 43(5): 1289-1298.
[13] 张治国, 沈安鑫, 张成平, PAN Y. T., 吴钟腾, . 基于非线性Pasternak地基模型的海床悬链线立管触地段初始侵彻静平衡解析解[J]. 岩土力学, 2021, 42(9): 2355-2374.
[14] 赵海鹏, 黎学优, 万建宏, 郑翔之, 刘思威, . 基于高性能有限单元法的多层地基水平 受荷桩受力分析[J]. 岩土力学, 2021, 42(7): 1995-2003.
[15] 王兆耀, 刘红军, 杨奇, 赵真, 胡瑞庚, . 波流作用下大直径单桩的局部冲刷特征分析[J]. 岩土力学, 2021, 42(4): 1178-1185.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
No Suggested Reading articles found!