基于ABAQUS的桩侧摩阻力仿真分析.doc

摘要:采用ABAQUS软件模拟桩土相互作用中的接触问题,利用ABAQUS软件中的主一从接触算法,在桩侧与土体之间建立接触对;对桩身采用弹性模型,土体采用摩尔一库仑模型进行模拟,并考虑初始地应力的影响。通过计算,得到了桩侧摩阻力的分布情况,在算例中模拟了某试桩工程的桩侧摩阻力和桩顶总沉降,与现场测试结果相一致。
    关键词:桩土相互作用;桩侧摩阻力;沉降;ABAQUS
0 引言
    桩基设计的核心问题,不外是沉降和承载力两个方面。在以往的设计中,似乎桩侧摩阻力只是一个固定不变的值,而且往往估计过小。事实上,桩侧摩阻力的值是随着桩顶载荷,以及深度等各种因素而变的,而且深度效应较为明显。对于摩擦型单桩,其承载力主要由桩侧摩阻力承担。
    所以,正确分析和计算桩侧摩阻力的分布及影响因素至关重要。传统的方法是做桩的破坏性载荷试验。然而,做桩的现场载荷试验既费工又费钱,尤其对于大直径桩,要进行这类试验需施加很大的试验载荷,无论是加载条件,还是试验技术都很困难。如何根据室内试验得到的有关资料,利用仿真分析的方法来确定桩侧摩阻力作用情况,进而确定桩的竖向承载力,是值得广泛关注的问题。
1 建立桩土计算模型
    在考虑土的非线性、桩周土分层、桩土间非线性相互影响、桩端有存渣、桩端及桩侧注浆加固、桩长及桩直径变化等因素时,有限元法是现阶段最适用的方法,它能解决由于试桩困难及实测费用大而无法大量进行的问题。
    有限元模型
    ABAQUS的接触模拟中,要在模型中的各个构件上建立表面,并建立接触对,采用主一从(Master-Slave)接触算法。选择主、从表面的原则是从属表面的网格划分更加精细,若网格密度相近,则应选择较柔软的材料表面为从属表面。
    因此,这里选择土体表面为从属表面,如图1所不。
图 1 接触面模型
    在几何模型上,用大尺寸来模拟半无限空间体,计算时土体的半径远大于桩横截面的半径(如土体半径取为桩横截面半径的40^-60倍)。
    对于单个的大直径超长桩的轴向受荷有限元分析,可简化为轴对称平面问题进行计算。文中采用4结点双线性轴对称单元。为了减小计算误差,同时也为了缩短计算时间,在桩土接触面附近单元网格划分的较细,而在远离接触面的土体,网格划分相对稀疏,如图2所示。
    对桩体采用弹性体分析,土体采用弹塑性体分析。ABAQUS里提供了多种塑性本构模型阁,文中采用工程上常用的摩尔一库仑模型。ABAQUS软件可以考虑侧向土压力系数,在·INITIALCONDITIONS中设置初始地应力及侧压力系数,并可在’GEOSTATIC步中实现平衡。这对模拟岩土问题是非常有效的。
图 2 网格局部放大图
    库仑摩擦模型
To ol an 曾提出,在桩周为均质土的条件下,无论是一般的摩擦桩还是嵌岩桩,在计算桩侧阻力时,桩端处桩侧摩阻力按平均值的2倍取值,这是充分考虑到桩侧摩阻力强化效应的结果川。运用ABAQUS软件,可以很容易模拟桩侧阻力沿深度变化的曲线图,而且形状与现场测试曲线类似,如图3所示。
图3 桩侧阻力
2 算例
    南通某桥梁工程试桩