土木工程软件分析

桩基承载力分析

运用abaqus 软件对一实例进行桩土建模并进行分析。

1. 问题背景

有一混凝土实心园桩位于位于正常固结饱和粘土中，地下水位与地基齐平。桩长10m ，桩径0.5m 。考虑到轴对称性，采用轴对称模型进行分析。分析区域桩端向下扩展1倍桩长，水平方向取20倍桩径，以求将边界对分析区的影响降到最低。土体采用剑桥模型模拟，参数建下表所示，桩采用线弹性模型，弹性模量E=20GPa ，泊松比v=0.2。桩土摩擦系数为0.42（tan （0.75ϕ）） 土体参数

材料

'3(kN/m )γ ν λ κ M ()'ϕ 1e k （m/s ） 软粘土 8.0 0.35 0.2 0.04 1.2(30)︒ 2.0 7110-⨯

2. 初始条件分析

初始应力的合理设置对求解的可靠性十分重要。根据已知条件，土体为正常固结粘土，设土体经历了一维0K 正常固结，则竖向初始应力'0v σ和水平初始应力'

0h σ:

''0v z σγ=;''000h v K σσ= 0K 为初始水平土压力系数，考虑到水平方向无边形，取为/(1)0.538νν-=。

3. abaqus 模型建立过程

1. 建立部件

在part 模块中执行part>creat 命令，建立名为soil 的部件。其设置如下：modeling space 设为axisymmetric ，type 设为deformable ，base feature 设为shell （二维的面）。根据下图尺寸完成部件soil 的建立。用同样的方法一句下图中的尺寸建立名为pile 的部件。

土体部件尺寸（单位m ） 桩部件尺寸（单位m ）

2. 设置材料及截面特性

在property 模块中执行materia>creat 命令，建立名为soil 的材料，执行edit material 对话框中的mechanical>elasticity>porous elastic 和mechanical>plasticity>clay plasticity 命令，设置剑桥模型参数如下图所示。

按照上述步骤建立名为pile 的弹性材料。

然后执行section>creat 命令，分别设置名为soil 和pile 的截面属性（对应的材料为soil 和pile ），并执行assign>section 命令付给相应的区域。

3. 装配部件

在assembly 模块中，执行step>creat 命令，在弹出的creat step 对话框中设定名为geo ，分析步类型选为geostatic ，单击continue 按钮进去edit step 对话框，接受默认选项后退出。

按照上述步骤建立一个名为load 的soil （用于土壤力学分析）类型的瞬态分析步，其时间为1800s ，初始时间增量步为250，允许的最大增量步为1800，增量步允许的孔压变化为20kpa 。

4. 定义接触

点击进入interaction 模块，为了定义接触方便，先要定义一系列的面。点击tools>surface>creat 命令，将桩周表面设为pile-1，土体与桩周接触的面定义为soil-1，桩端设为pile-2，土体与桩端的交界面设为soil-2。

点击interaction>property>create 命令，建立一个名为pile-soil 的接触特性，其中法

向行为选择硬接触（“hard”contact），切向模型选为penalty，摩擦系数为0.42（tan （0.75 ））。

点击interaction>creat命令，在creat interaction对话框中将名字设为int-1，确保step 下拉列表中为nitial，代表接触从初始分析步中就存在，点击continue按钮，此时按提示区中的要求选择主面，根据abaqus中的主从面的规定，选柱侧面（pile-1）为主面，soil-1为从面，弹出的edit interaction对话窗中，在contact interaction property 下拉列表中选择之前定义的接触面特性pile-soil，接受其余默认选项，确认后退出。

按照上述步骤建立桩端和土体的接触对int-2.

5.定义荷载边界条件

在load模块中，执行BC>creat命令，限定土体模型两侧的水平位移和模型底端两个方向的位移。注意这些边界条件在initial步或geo分析步中已经激活生效。另外需要注意，在桩的中心线上也要设置水平方向的约束。

单击load>creat命令，在geo分析步中对土体和桩所有区域施加体力-8，来模拟重力荷载，这意味着计算将基于超孔压进行。

为了模拟桩的快速加载，单击BC>creat命令，在load分析步中将桩顶指向下的位移-0.05m，即0.1D，D为桩径。，在这里我们考虑不排水加载，因此并未设置排水边界。

6.划分网格

进入mesh模块，将环境栏中的object选项选为part，意味着网格化分是在part的层面上进行的。

为了便于划分网格，单击tools>partition命令，将区域划分成几个合适的区域。单击mesh>controls命令，在mesh controls对话框中选择单元形状为Quad四边形，选择technique为sweep。执行mesh>element type命令，将土体和桩的单元类型分别设为CAX4P和CAX4。通过seed下的菜单设置合适的网格密度，将桩在深度范围内划分30个单元，桩径范围内划分3个单元，但桩长范围内的土体划分40个单元，土体在桩径范围内划分5个单元，这么做是为了满足固结计算中时间增量步的要求。

单击mesh>part命令，分别形成土体和桩的单元。

7.修改模型输入文件

由于剑桥模型无法直接定义初始空隙比，必须在模型输入文件中定义。单击model>edit keywords>model-one命令，在第一个分析步语句之前插入如下定义初始空隙比和初始应力的语句：

*initial conditions,type=ratio

soil-1.Set-1,0.85

*initial conditions,type=stress,geostatic

soil-1.Set-1,0,20,-160,0,0.538

pile-1.Set-1,0,20,-80,10,0.538

保存修改。

8.提交任务

进入job模块，单击job>creat命令，建立名为Job-xin的任务，提交计算。

9.结果处理

1）荷载沉降曲线

单击tools>path>creat命令，建立两条路径，一条为桩体内部从上到下的路径path-1；

一条为沿桩身与土体接触的路径path-2（该路径在桩的表面）。

单击tools>Xydate>creat命令，在编辑对话框中选择ODB fieldout，在弹出的对话框