基于ABAQUS的桩土共同作用的数值模拟

文章编号：1004-3918（2009）08-0974-03
基于ABAQUS 的桩土共同作用的数值模拟
陈晶
（南京农业大学工学院，南京210031）
摘
要：运用ABAQUS 软件对桩土结合模型进行了数值仿真.利用ABAQUS 中的主－从接触算法，在桩身与土体之
间建立接触对，对桩身采用弹性模型，土体采用扩展的Drucker-Prager 模型进行模拟，并考虑初始地应力的影响.通过计算得到竖向载荷作用下桩的轴力分布曲线和沉降曲线.在算例中模拟了江苏某大桥
N1号试桩，结果与现场实测值相近.
关键词：桩土结合；轴力；沉降；ABAQUS 中图分类号：TU 473．1＋2
文献标识码：A
桩土相互作用是一个相当复杂的工程问题.为了确定单桩完整的荷载－沉降关系，即P－S 曲线，传统的
方法是做桩的破坏性荷载试验.然而对于大直径桩要进行这类试验，
无论从加载条件还是从试验技术上都具有很大难度.如何根据现场试验得到的有关资料，通过快速全面的数值仿真分析，确定可靠的桩的荷
载—沉降关系，是广泛关注的问题[1-2，5]
.
1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－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，应选择较柔软的材料表面为从属表面.这里选择土体表面为从属表面，如图1.在几何模型上，用大尺寸来模拟半无限空间体，计算时土体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.本文采用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.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[3-4]，这里采用工程上常用的摩尔－库仑模型.ABAQUS 可以考虑侧向土压力系数，在*INITIAL CONDITIONS 中设置初始地应力及侧压力系数，并可在*GEOSTATIC 中实现平衡[6].
2算例
江苏某大桥主桥采用主跨1088m 的双塔斜拉桥，专用通航孔采用140＋268＋140m 连续钢箱梁，引桥分
别为跨径75，50，30m 的等高度预应力砼连续梁桥.大桥试桩工程共为6根钻孔灌注桩，其中北岸3根，直径分别为1，1，1．8m ；南岸3根直径均为1．5m .这里对北岸N1试桩的桩身轴力和沉降进行数值仿真.根据现场实测数据，几何计算数据如下表1、表2所示，土体的半径取为30m ，远大于桩的半径；侧向压力系数0．85.
收稿日期:2009-03-04作者简介:陈
晶（1980-），男，江苏南京人，助教，硕士，研究方向为岩土的数值分析方法.
第27卷第8期2009年8月
河南科学
HENAN SCIENCE
Vol.27No.8Aug.2009
2009年8月表1
N1试桩材料参数
Tab．1
Material parameters of N1test pile
表2
土层材料参数
Tab．2Material parameters of soil
2．1
轴力计算
图3为各级载荷下桩身的轴力分布.图3（a ）～（c ）为3级载荷作用下，桩身轴力实测值与ABAQUS 模
拟计算值的比较.从图3中可看出，模拟曲线与实测曲线吻合的很好；而且在其余各级载荷下都能得到理想的模拟曲线.图3（d ）为不同载荷下模拟计算值的比较.由图可以看出，轴力沿桩传递逐渐减小，在桩端处均约为零，说明桩的中上部分承担了绝大部分载荷.该桩表现出较明显的摩擦桩的特性.
图3
各级载荷下桩身的轴力分布图
Fig.3
Axial-force with different loads
2．2沉降计算
由于N1试桩属于摩擦桩且桩身较长，桩底反力较小，桩端土压缩可忽略不计，桩顶沉降按桩身压缩量
分段叠加计算.根据钻孔灌注桩载荷传递公式，各段桩身压缩量按下式计算
△x =
x
0乙（P-τ·
π·d ·x ）
EA
d x ，式中：△x 为桩身压缩量（mm ）；P 为分段桩身顶部载荷（kN ）；τ为分段桩身平均侧摩阻力实测值（kPa ）；d 为桩
径（m
）；x 为分段桩身计算长度（m ）；EA 为桩身刚度（MPa ）.试桩编号直径/m 桩顶标高/m
桩端标高/m 桩长/m 弹性模量/GPa
泊松比N11 2.2
-73.8
76
30
0.2
层数土层名称密度/（g ·cm -3）变形模量/MPa 泊松比粘聚力/kPa 内摩擦角/（°）
极限摩阻力
/kPa 底层标高
/m 1粉砂，亚粘土
1.8920.570.3715.025.8
37.42-21.82粉砂 1.9123.850.339.031.151.25-29.33亚粘土 2.0524.130.4183.018.450.68-50.84粉砂 1.9330.830.3132.531.380.08-58.85
细砂
1.96
32.12
0.32
32.0
32.3
23.71
-100.0
（b ）载荷4000kN 时的轴力
深度/m
020
4060
80
轴力/kN
深度/m
020406080（c ）载荷6000kN 时的轴力
轴力/kN
深度/m
（d ）各级载荷时的轴力分布
轴力/kN
深度/m
020406080（a ）载荷2000kN 时的轴力
轴力/kN
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第27卷第8期
河南科学
将试桩的沉降的模拟值、计算值以及实测值绘制P－S 图.从图4中可看出，模拟值与计算值均大于实测值，其原因为：第一，在获取土层的计算参数时，综合分析了工程地质勘察
报告、经验公式、室内试验结果等多方面数据.为了使参数取值更加合理，去掉了最大值和最小值，然后加权平均确定
土层参数.总体来看，
取值还是保守的，也就是说，数值模拟的沉降较实测值偏大.第二，可能是由于试桩施工时的部分充盈所致.相对于公式计算的结果，ABAQUS 的模拟值更加逼近实测值.
3结语
桩土共同作用是复杂的非线性问题，目前国内利用ABAQUS 软件进行分析的工作相对较少.本文利用
ABAQUS 分析了某大桥N1试桩的轴力和沉降，计算结果与实际相吻合，说明ABAQUS 对桩土相互作用的高度非线性问题有着很好的处理能力.参考文献:
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晋，冯忠居，谢永利．大直径空心桩承载性状的数值仿真［J ］．长安大学学报：自然科学版，2004，21（4）：36-39．
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ABAQUS QUS Theory Manual ［M ］．美国：HKS 公司，2002．
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晶，高峰，沈晓明．基于ABAQUS 的桩侧摩阻力仿真分析［J ］．长春工业大学学报，2006（3）：27-29．
The S imulation of P ile-S oil I nteraction U sing ABAQUS
C hen Jing
（College of Engineering ，Nanjing Agricultural University ，Nanjing 210031，China ）
Abstract:In this paper ，ABAQUS software is used to simulate interaction between pile and soil．The pile-soil contact pair is built by the master-slave method．The model of pile is elastic ，and modified Drucker-Prager
elastic-plastic model is applied to soil．The initial stress is also considered．For example ，the N1test-pile of a bridge is simulated．And the axial forces and settlements of the pile under the top loads are given．The results show that ABAQUS is available for simulation of pile-soil interaction．Key words:pile-soil interaction ；axial forces ；settlement ；ABAQUS
图4
P－S 曲线
Fig．4
P－S curve
沉降/m m
载荷/kN
976--。