100
公路与汽运
H ig h w a y s A Autom otive A p p lica tio n s总第190期
杨吉新，石旷，孙亭亭，刘畅
(武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063)
摘要：上拔力作用下桩土之间的相互作用较复杂％文中利用ANSYS软件建立石首建宁大桥 桩土模型，选择桩土作用非线性Drucker—Prager模型，结合桩土接触面特性与荷载传递机理分析 上拔力作用下桩身轴力、桩侧土压力和桩侧摩阻力的变化％结果表明，上拔力作用下桩身轴力由 上到下逐渐减小，钢管桩表现为纯摩擦桩&庄侧土压力随深度逐渐增加，与库伦土压力公式计算结 果吻合；上拔力作用下桩侧摩阻力自上而下逐步发挥，最大摩阻力出现在桩的中下部％
关键词！桥梁；上拔力&钢管桩&庄土相互作用；Drucker—Prager模型
中图分类号：U441 文献标志码：A文章编号！671 —2668(2019)01 —0100 —04
相对于压桩，拔桩是一个作用力相反的逆向过程。拔桩过程中同样需考虑桩土相互作用，其中土
的非线性本构关系及桩土接触界面摩擦特性尤为复杂。针对桩土的相互作用，上官士青等基于最小势
能原理，将整个桩土系统的势能方程离散化，建立了
一个无约束非线性数学规划模型；齐良锋等在桩土
触单元模型，得出桩土之间的剪力传递与相对位移；廉兴军运用A N S Y S软件，采用弹簧单元模拟桩土
相互作用、表面效应单元模拟桩周摩擦力，得出桩在
承受竖向荷载时的应力应变分布；严祖文通过对有
限元软件A N S Y S的二次开发，并导人D u n c a n—C h a n g本构模型，模拟了竖向荷载作用下单桩、桩与土的相互作用；贺嘉等基于D r u c k e r—P r a g e r(D 一P)与M o h r—C o u l o m b模型，
对单桩荷载一沉降
曲线进行了比较；Y a s s e r K h o d a i r等使用A B A Q U S 与S A P2000建立桩土相互作用三维有限元模型，研究了桩在各类砂土中的受力情况；M a r y a m M a r d- f e k r i等通过A B A Q U S建立空心桩模型，研究了横
向受荷空心桩的非线性行为。目前对于桩土相互作
用的研究大多针对受压桩或被动桩，对拔桩过程中
桩土相互作用的研究较少。该文基于土的非线性D 一P模型，利用A N S Y S建立钢管桩与土的三维有
限元模型，分析上拔力作用下桩身轴力、桩侧土压力
与桩侧摩阻力的变化。
1数值分析原理
!1桩侧土的力学性质
土体在很多情况下是非均质、各向异性的，在加载过程中容易产生屈服，产生弹性变形和不可恢复
的塑性变形，故土体内部本构关系通常表现为非线性。土体采用经典非线性D—P模型，对拔桩过程
中桩土相互作用进行分析。D—P模型的屈服准则
是对Mohr—Coulomb准则的近似，它修正了Von M ises准则，用于处理具有不同拉伸和压缩屈服强
度的材料，其屈服面并不随材料的逐渐屈服而改变，因而没有强化准则，其塑性行为被假定为理想弹塑性，但其屈服强度随侧限压力的增加而增加。该模型还考虑了由于屈服而引起的体积膨胀，故D—P 模型适用于砼、土壤等颗粒状材料。D—P模型屈
服准则的等效应力表示为：
网约车系统O e=3'〇m D{S}$ [M]{S}](1)式中'为与材料有关的常数，' =2sin«p/[槡（3 —sirup)];<p为内摩擦角；为平均应力；{S}为偏应
力M=
材料屈服应力为：
6c c o s p
槡3(3—s i n p)
式中5为粘聚力。
D—P模型屈服面方程为：
3(m+[1/2{S}T[M]{S}]1/2—(y=0(2)
屈服面为圆锥形，当应力状态位于屈服面上时，
2019年第1期杨吉新，等：上拔力作用下桩土相互作用数值分析101
材料达到屈服点。
!2桩土接触面的力学特性
接触面采用Targe17〇与Conta173单元，桩与
土两个接触面分离并共切，两个面之间不相互渗透，
能传递法向压力与切向摩擦力，但不传递法向拉力，
将刚度较大的桩设为目标面、土设为接触面。接触
面算法采用增广拉格朗日法，该方法在接触位移的
平衡条件下充分考虑接触面几何约束和物理约束，
引人拉格朗日乘子，通过增量迭代的方式求解，能设
置最大穿透允许量，先采用罚方法，穿透超出时，增
加接触力再次迭代，迭代流程见图1。
撤除约束—执行迭代计算
■4--撤除约束
p<0
接触分离检査接触状态—►接触分离
i状态无变化
检查N R残值—
i收敛
结束该迭代步
图1接触面迭代流程
!3桩侧荷载传递机理
把桩沿桩长方向离散成若干个单元，桩身位移
K z)和桩身荷载Q(Z)随深度变化，桩身侧摩阻力
<?)(«0发挥值与桩土相对位移有关。取深度z处微
小桩段心，由平衡条件得：
Qz=Q7+dQ(z)+gs(z)'U •dz(3)
式中:J为桩身周长。
由式(3)得：
由桩身拉伸变形与轴力的关系得：
dg
d K z)=Q(z)(5)
A E r
式中：A为桩身横截面面积；E p为桩身弹性模量。
z断面荷载为：
()d^(z)
Q(z) A E p d^6)
Q(z)=Q
0~u| q s(z)d z7)
z断面上升：
1 z
5(z) 50+Q(z)d^
E0A J08)
将式（6)带人式(！），得:
式（9)即为桩土荷载传递的基本微分方程，由此 可求出桩身轴力与桩侧摩阻力沿深度的变化。
2工程实例
2.1工程背景
湖北省石首市建宁大桥主梁现浇支架采用钢管 桩作为临时支撑，全桥钢管桩约30006回收利用
能产生巨大经济价值，研究上拔力作用下桩土相互
作用对有效拔出、回收钢管桩具有重大意义。选用
桩深20m、直径630m m、壁厚8m m的钢管桩进行
有限元分析，桩周土体为单层黏土。根据地质详勘
报告，各材料性质见表1。
表i材料参数
类别
弹性模
量/P a
泊松
比
密度/ 粘聚
m3)力/P a
摩擦剪胀
角/()角/()黏土 3.4X1070.29 1 850 2.5X10418 10
钢管桩 2.0X10110.257 850---
2.2有限元模型建立
利用A N S Y S建立有限元模型，由于受力对称，采用1/!模型。桩与土均采用S〇ild45实体单元，
该单元具有塑性、膨胀、应力强化、大变形和大应变
功能，能模拟桩与土的性质。相关研究表明，土的有
效作用范围为桩径的15!30倍。该项目分析中，土
体取长方体，深度取！0 m，宽度取桩直径的25倍。
模型采用映射网格划分，刚度较大的桩体表面 设为目标面，土体面设为接触面。土体四周全部约
束，底部约束z方向，1/!断面上采用对称约束。在
桩顶施加50 t的力，设置时间为！00，所施加的力在
该时间内按线性逐渐加载。有限元模型见图2。
图2桩土A N S Y S模
型
102
公路与 汽运
可控硅焊机
2019年1月
--A N S Y S 数值解
一荷载传递公式解
--A N S Y S 数值解
一
土压力公式解
400
-600--------1--------1--------1--------1--------1
0 5 10 15 20 25
深度/m
图4桩身轴力随深度的变化
3.2侧压力分布
钢管桩在竖向上拔力作用下逐渐脱离土体，桩
侧土在土塞效应作用下呈向桩运动的趋势，土体主 动压迫钢管桩，钢管桩侧承受的压力为主动土压力。 钢管粧垂直，表面粗糙，土体表面水平，采用库伦土 压力公式计算：
E e C -^j H K e
(10)
式中，为土重度；$为计算深度
；V a 为
主动土压力
系数，按式（11)计算。
K
e =
c o s 2
— —.)
c o s 2
e c o s (e +5) T 1+ /S l n —D ")S l n —3
_ 槡 c o s (" + .)c o s (—') _
!11)
3计算结果分析
3!桩身轴力变化
时间为150时，粧顶受到11t 的拉力，粧顶单
元位移为零，钢管桩侧摩阻力为静摩擦力，桩身轴力 云图见图3
。在
桩顶荷载作用下
，桩
侧摩阻力从上 到下发挥作用，桩身轴力从上传递到桩底，轴力值逐 渐减小，下层土侧摩阻力较大，
在桩下部出现压应力 并在桩底部达到最大值，钢管桩直接承力面和底部 与土的接触面符合应力集中现象，在粧顶和粧底分 别出现最大拉
、压
应力
，受
力结果与实际相符
。利
用
荷载传递公式求解桩身轴力沿深度的变化，并与 A N S Y S 结果比较(见图4
)，二
者结果相近
。
-.966E +07 -.579E +07 -.191E +07 .197E +07 .584E +07
---m m m m ----------m m m a m
-.772E +07 -.385E +07 29557.4.391E +07 .778E +07
图3
桩身轴力云图（单位：N )
式中—为土的内摩擦角
&为钢管粧与铅直线的夹 角
苯并芘结构式&
为桩土界面摩擦角
，根
据P o t y o n d y J . G .的研
究，取0.7—'为土与水平的夹角
。
有限元模型中
，e c 〇' = 〇。式（10)表明
，桩
侧
土压力沿深度方向线性增加
。图
5为土压力云图。
运用A N S Y S 分析桩侧土压力，考虑了土的塑性变 形、剪涨及地应力的影响，虽不会呈线性变化，但趋 势与公式计算结果相符（见图6
)。
1000.32 3337.218 7392.63 17457.09图 5
土压力云图（单位：P a )
0 5 10 15 20 25
深度An
图'土压力随深度的变化
3#桩侧摩阻力分布
图7为不同时间点的桩侧摩阻力云图，图8为
不同上拔力下摩阻力随深度的变化。从图4可看 出：桩侧摩阻力从上到下逐渐发挥，上侧土易发挥到 极限，而下侧土较难完全发挥，最大摩阻力出现在桩 的中下部而不是桩底。随着荷载的增大，桩侧摩阻 力逐渐增大，上拔力超过钢管桩单桩极限抗拔承载 力时桩体发生向上的位移，土体侧摩阻力已发挥最 大作用，桩土界面的相对位移大于土体极限位移，界
面发生滑移，使土的抗剪强度退化为残余强度，随着 位移的逐步增加，粧侧摩阻力逐渐减小。
4
结论
!)在上拔力作用下，受侧摩阻力的影响，桩身
轴力上大下小，且靠近下部出现压应力，桩底与土接
触部分没有端承力，钢管桩表现为纯摩擦桩。
!)上拔过程中受土塞效应的影响，钢管桩侧
601
40120
1
2019年第1期杨吉新，等：上拔力作用下桩土相互作用数值分析103
^100 kN
—200 kN ，…-300 kN --400 kN
0^ 7560.99 16770.32127530.25 36710.89
5730.13 12780.76 21479.33 32510.17 40100.38
图（
桩侧摩阻力云图（单位：P e )
5
10 15 20
25
深度/m
光滑的皮革图8不同上拔力作用下桩侧摩阻力随深度的变化
所受压力为主动土压力，土压力随深度变化呈非线 性逐渐增加，与库伦主动土压力计算结果相似。
!)上拔力作用下，桩侧摩阻力的发挥过程为
自上而下：桩体拉伸首先发生在桩的上部，桩土相对 位移逐渐增大，上部土层首先提供向下的摩擦力；随 着上拔力增加，桩侧摩阻力不断增大，下部土层开始 发挥作用，最大摩阻力出现在桩的中下部；上拔力增 加到一定数值时，桩侧土所能提供的抗拔摩擦力达
参考文献：
[1]上官士青，杨敏，陈飞，等.基于最小势能原理的加筋垫
层与路堤桩土相互作用研究D ].岩土工程学报，2015,
37(7).
[
]
齐良锋，简浩，唐丽云.引入接触单元模拟桩土共同作 用[J ].岩土力学，2005,26(1).
[3]
廉兴军.桩一土作用机理与数值模拟[].工业建筑，
转底炉2011,41(增刊）.
[4]
严祖文.基于A N S Y S 二次开发的桩土相互作用的三维
非线性有限元分析[D ].天津：天津大学，2007.
[5]
贺嘉，陈国兴.基于A B A Q U S 软件的大直径桩承载力
一变形分析[].地下空间与工程学报,2007,3(2).
[6] Y a s s e r K h o d a i r ,A h m e d A b d e l-M o h t i.N u m e rical an a l y
s i s of p il e-s o i l in te ra c tio n u n d e r a x ia l and la te ra l l o a d s
[J ]. I n te r n a tio n al J o u r n al of C o n c re t e S t r u c tu re s A
M a t e r ia ls , 2014,8(3).
[7] M a ry a m M ar d fe k r i ,P aol o G a r d o n i, J o s e M R o e ss e t.M o d e l
in g laterall y l oa d e d s in g le p ile s a cc o untin g f o r n onlinea r s o il-p ile in teractio n s[J ].^T 〇urn a l of E n g ineerin g ,2013(5).
[8] P o t y o n d y J G . S k i n f ric tio n b et w ee n v a rio us s o il s a n d
con s t r u c tio n m a t e r ia ls [J ].G e o te c h n i q u e , 1961,11(4).
收稿日期：2018 — 11一09
絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲絲
(上接第80页）技术要求。
4结论
(1)
与一次成型方式相比，采用二次成型方式
成型的S B R 乳化沥青混合料马歇尔试件的空隙率 小、稳定度大，宜采用二次成型方式制作马歇尔试 件，第一次双面击实50次，第二次双面击实25次。
(2) S B R 改性乳化沥青混合料采用第一次击实
后供箱养生温度90 C
、养生时间4 d ，第二次击实后
室温养生 1 d 的室内模拟加速养生条件最佳。
光纤切割刀片
(3)
常温拌和型乳化沥青混合料的空隙率和稳
定度可达到热拌沥青混合料的技术要求。
参考文献：
[1]魏建国，胡峻铭，王永胜.集料形状特征及其对热拌沥
青混合料性能的影响[J ].中外公路，2018,38(2).
[]丁智勇，谢永平，王宝金，等.热拌沥青混合料生产和施 工全过程能耗与排放评价[J ].筑路机械与施工机械 化，2016,33(2).
[3] 刘胜龙.温拌技术对沥青混合料抗老化性能的影响分
析[J ].中外公路，2014,34(3).
[4] 于江，张飞，王克新，等.温拌沥青混合料技术研究分析
[J ].公路工程，2015,40(2).[5] 许菲菲，刘黎萍，唐海威，等.温拌沥青混合料与热拌沥
青混合料性能对比[J ].公路工程，2009,34(3).
[
]
陈文.高性能乳化沥青冷再生混合料开发研究[D ].重 庆：重庆交通大学，2016.
[7]张涛.冷拌冷铺沥青混合料的研究[D ].重庆：重庆大
学，2007.
[]
赵志超.新型冷拌冷铺乳化沥青混合料研究[D ].北京: 北京建筑大学，2015.
[
]
徐世法，黄玉颖，蔡硕果，等.冷拌冷铺沥青混合料技术 进展[J ].筑路机械与施工机械化，2018,35 (2).
收稿日期'018 — 06 — 25
到极限，桩体开始拔出，桩土界面滑移，土的抗剪强 度退化为残余强度，桩侧摩阻力随上拔量增加而逐 渐减小
。
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