桩基础的模拟

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这两天整理之前做的一些资料，把桩的模拟做一个汇总。本文中所述的“桩基”指的是建筑物或桥梁基础中使用的主要受竖向力的桩基础。

1）桩基础完整的模拟方式是梁单元+桩（界面）单元（+桩端单元）。如果是摩擦桩，一般至少是梁单元+桩（界面）单元，如果是端承桩（或嵌岩桩）一般是梁单元+桩（界面）单元+桩端单元。

桩基础计算模型

2）桩基础建模使用梁单元，按照实际截面形式和尺寸划分网格。桩基础使用梁单元模拟进行网格划分时，不必对几何线和实体行进自动连接，梁单元的尺寸也需要尽量大一点（可以只分1段，因为2019之后的GTS版本,梁单元的尺寸需要大于母单元才可以正常生成界面）。

3）得到梁单元后，需要对梁单元添加桩/桩端单元，用于模拟桩土摩擦性质。

需要注意：桩/桩端单元只能用于三维模型中对桩基础的模拟，如果是二维模型中，需要使用界面单元中的线界面来模拟。

桩单元可以单独加在梁单元上，但是桩端单元只能在梁单元+桩单元同时存在时使用。

【三维模拟中桩土摩擦模拟】

【二维模型中桩土摩擦模拟】

一般建议在沿着桩轴线方向受力的梁单元上设置界面单元，如图承受上部荷载的桩基础。垂直于桩身受力的，比如围护桩，加不加自行决定

。

4）桩界面参数：

最终剪力：沿着轴向按应力单位输入桩界面的最终剪切阻力（kN）并除以桩长（m）和桩界面单元的厚度（m）。

剪切刚度模量和法向刚度模量：严格来说可以通过Siolworks软件，进行一个简单的P-Y曲线分析和P-S曲线分析得到。

不严格凑合着来说，可以通过虚拟厚度系数以及地层的剪切模量获得：式中的tv为虚拟厚度系数，取值为0.01~0.1，岩土和结构构件的强度差越大，输入的值越小。

5）添加桩界面时候的额外约束。

添加桩界面单元之后的模型，计算过程中可能出现warning[4005],此时需要对梁单元添加RZ约束（更多详解参考GTS NX 的常见报错（1）-Warning4005和4067）。

6）梁单元+平面应变单元，或梁单元+实体单元，用于模拟桩基+承台时候，由于桩顶跟承台通常是固结关系。所以桩顶一般会有弯矩。但是由于单元的自由度差异，得到的桩顶可能是没有弯矩的（下图左侧）。此时需要对桩顶设置额外的转动约束，三维模型设置RX/RY/RZ约束，二维模型设置RZ约束即可，得到桩顶存在弯矩结果（下图右侧）。