2024年6月5日发(作者：)

基于ANSYS程序的嵌岩桩数值模拟

1 . 嵌岩桩结构分析模型的建立

现以某设计中采用的嵌岩桩方案为例，桩身总长10米，嵌岩深度为1米，嵌岩层为中等风

化千枚岩，桩材料采用C30混凝土。软件采用ANSYS程序10.0版本。硬件采用

AMD3000+CPU，512M内存等。

2. 结构类型选择

根据勘查报告和结构体系的特点，结构分析模型选取三维实体模型solid65。利用ANSYS

程序中单元类型，建立桩和岩石体两个类别的三维实体模型。

在本文里钢筋混凝土采用有限元整体式模型。所谓整体式模型是假设钢筋分布于整个单元

中，并把单元视为连续均匀材料，采用混凝土-钢筋复合的本构关系，把混凝土、钢筋二者

的贡献组合起来，一次求得综合的单元刚度矩阵。程序中有专门用于钢筋混凝土结构的

Solid65单元及Concrete材料，它们可以考虑反映混凝土压溃和开裂。Solid65单元为八节点

六面体单元，通过定义三个方向的配筋率考虑三个方向的钢筋情况。混凝土材料还可通过

选取非线性模型考虑塑性变形和徐变。Concrete材料模型的基本参数有开裂截面和裂缝闭合

截面的剪切传递参数，单轴和多轴的抗拉、抗压强度等。这种模型比较容易得到收敛的解。

3. 材料类型选择

ANSYS软件中提供了许多材料模型材料属性有：线性材料和非线性材料；同性、正交各向

异性和非弹性材料；温度相关和温度无关材料等。但大多数为基于经典材料力学理论的均

质材料模型，与混凝土的本构关系有很大区别，这些材料模型包括经典双线性随动强化模

型(Bilinear Kinematic, BKIN)、多线随动强化模型(Multilinear Kinematic, MKIN)、双线等向

强化模型(Bilinear Isotropic, BISO)、多线等向强化模型(Multi Linear Isotropic, MISO)等，这

些材料模型均符合VonMise屈服准则。钢筋混凝土作为一种混合材料，其本构关系非常复

杂。ANSYS中多线性随动强化模型(MKIN)合理的选取参数后可以比较接近混凝土模型。该

模型可以描述下降段，反映混凝土的软化。也可以通过合理采用σ1、σ2、σ3的值调整本构

模型曲线，模拟材料的“包兴格效应”。但是，该模型还不足以反映混凝土材料特性，如该模

型无法反映混凝土压溃和开裂后退出工作的特性，而混凝土不开裂则钢筋不能发挥作用从

而未能发挥钢筋混凝土的优势。因此，该模型可以在线弹性阶段或混凝土单调加载进入非

线性阶段范围内描述混凝土的特性，该模型还不能够完整地描述混凝土特性。根据弹塑性

力学理论，本文选取多线性随动强化模型(MKIN)。σ1、σ3选取25MPa，σ2选取30MPa。

4. 材料属性选择

桩：弹性模量：2.4E+10Pa；泊松比：0.20；C30混凝土立方体抗压强度fcu=30N/mm2；C30

混凝土单轴抗压强度：fˋc＝25N/mm2；C30混凝土单轴抗拉强度：f＝3.1125N/mm2。

千枚岩：弹性模量：4E+10Pa；泊松比：0.30

5. 建立模型

在计算结构时，为了使得地基对结构应力的影响反映出来，必须把那和结构相连的一部分

地基区为弹性体，和结构一起作为计算对象。按照弹性力学中关于接触应力的理论，所取

地基范围的大小，应视结构底部的宽度如何而定（与结构的高度无关）。在早期的文献中，

一般都建议在结构的两边和下方把地基范围L取为大致等于结构底部的宽度B。但后来的

一些文献中，大都把所取的范围扩大为 L =2B。在个别的文献中还把它扩大为 L=4B。在本

文中，桩直径采用1.5米，考虑地基范围为3米，深度为6米。

6. 网格划分

采用自由网格划分，网格最小尺寸为0.5米。网格划分结果见图1。

7. 施加约束和荷载

在桩顶施加14MPa压应力。在岩体各面施加固定约束。

8.求解

9.后处理及结果分析

图1

网格划分图

图2

应力云图

图3

应力等值线图

从图1的应力云图可以得知：桩的应力达到最大即达到14MPa时，桩底受力区域在桩宽两

倍的范围内比较明显，桩底及岩层表面受力达7.97MPa。

从图2的应力等值线图可得知：岩体在表面及桩体附近受力比较均匀，呈环状分布。

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kadeli

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