基于ABAQUS桩侧摩阻力数值模拟分析

基于ABAQUS的桩侧摩阻力数值模拟分析摘要: 采用abaqus有限元软件模拟桩土相互作用，桩土接触面采用主从接触算法，在桩身与桩周土之间建立接触对；桩身采用线弹性模型，土体采用摩尔-库仑模型，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，并通过算例对模拟情况和实际情况下的桩侧摩阻力和桩吧顶总沉降进行了对比，结果表明，数值模拟结果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

桩基础设计主要围绕承载力和沉降的计算展开。在常规的设计方法中，桩侧摩阻力在同一土层中通常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、深度等各种因素而变化的，而且深度效应较为明显。对于摩擦型桩，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，但是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，利用数值模拟分析的方法来确定桩侧摩阻力分布情况，进而确定桩的竖向承载力，是值得深入研究的问题[1，2 ] 。

1 桩土计算模型的建立

考虑土体材料非线性、桩周土分层、桩土间接触非线性、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。

1.1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-从接触算法。这里选择较柔软的土体表面为从属表面，其表面网格划分较为精细；选择刚性的桩体表面为主面，接触面划分如图1所示：

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，网格划分如图2所示。

对桩体采用线弹性本构模型，土体采用摩尔-库仑弹塑性本构模型。考虑侧向土压力系数，在initial conditions分析步中设置初始地应力及侧压力系数，并可在geostatic分析步中实现地应力平衡。

1.2库仑摩擦模型

经典的库仑摩擦模型假设,当等效摩擦力小于临界应力时,就不发生滑移。临界应力由下式确定:,式中为摩擦系数,为接触面压力。abaqus在接触分析中采用扩展的库仑摩擦模型,由用户指定一个极限摩擦力,则许用摩擦力由下式确定:。

toolan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[ 4 ]。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：

2 算例验证

某桥梁工程试桩共为6根钻孔灌注桩，其中北岸3 根。文中对北岸1 #试桩的桩侧摩阻力进行数值模拟。根据现场实测数据，土体的半径取30 m，侧向压力系数取0.5，材料参数见表1和表2。

2.1 桩侧摩阻力及桩端反力的分担

此次试桩静载试验以及abaqus 的模拟值见表3 。

桩顶载荷应由桩侧摩阻力和桩端反力分别承担，但此桩的桩侧摩阻力承担了绝大部分的桩顶载荷，只有在桩顶载荷达到一定值时，才有少部分的桩端反力产生。当载荷达到8000kn时，桩侧摩阻力仍然占到桩顶载荷的99%以上，继续加载到10000kn，桩端反力仍然很小。加载后期摩阻力充分发挥，增加的载荷一小部分由桩端承担，这表现出典型的摩擦桩的特征。所以对于摩擦型桩，尽可能增大桩土接触面的摩擦力至关重要。

2.2 沉降计算

根据钻孔灌注桩载荷传递公式，各段桩身压缩量可按下式计算:

式中，δx为桩身压缩量；p为分段桩身顶部载荷；τ为分段桩身平均侧摩阻力实测值；d为桩径；x为分段桩身计算长度；ea为桩身刚度。桩顶总沉降的实测值、模拟值和用上式得出的计算值，如图4所示。相对于公式计算的结果来看，abaqus的模拟值逼近实测值。

3 结语

利用abaqus软件建立了桩土接触的共同作用模型，分析了摩擦型桩的桩侧摩阻力分布情况，并对算例中的1#试桩摩阻力和沉降进行了仿真分析，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。

注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。