基于ABAQUS的樁側(cè)摩阻力仿真分析

2013-06-22  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

關(guān)鍵字:樁土相互作用 樁側(cè)摩阻力 沉降 ABAQUS

采用ABAQUS軟件模擬樁土相互作用中的接觸問題,利用ABAQUS軟件中的主-從接觸算法,在樁側(cè)與土體之間建立接觸對(duì);對(duì)樁身采用彈性模型,土體采用摩爾-庫侖模型進(jìn)行模擬,并考慮初始地應(yīng)力的影響.通過計(jì)算,得到了樁側(cè)摩阻力的分布情況,在算例中模擬了某試樁工程的樁側(cè)摩阻力和樁頂總沉降,與現(xiàn)場測試結(jié)果相一致.

0 引言

樁基設(shè)計(jì)的核心問題,不外是沉降和承載力兩個(gè)方面。在以往的設(shè)計(jì)中,似乎樁側(cè)摩阻力只是一個(gè)固定不變的值,而且往往估計(jì)過小。事實(shí)上,樁側(cè)摩阻力的值是隨著樁頂載荷,以及深度等各種因素而變的,而且深度效應(yīng)較為明顯。對(duì)于摩擦型單樁,其承載力主要由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)。

所以,正確分析和計(jì)算樁側(cè)摩阻力的分布及影響因素至關(guān)重要。傳統(tǒng)的方法是做樁的破壞性載荷試驗(yàn)。然而,做樁的現(xiàn)場載荷試驗(yàn)既費(fèi)工又費(fèi)錢,尤其對(duì)于大直徑樁,要進(jìn)行這類試驗(yàn)需施加很大的試驗(yàn)載荷,無論是加載條件,還是試驗(yàn)技術(shù)都很困難。如何根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得到的有關(guān)資料,利用仿真分析的方法來確定樁側(cè)摩阻力作用情況,進(jìn)而確定樁的豎向承載力,是值得廣泛關(guān)注的問題。

    1 建立樁土計(jì)算模型

在考慮土的非線性、樁周土分層、樁土間非線性相互影響、樁端有存渣、樁端及樁側(cè)注漿加固、樁長及樁直徑變化等因素時(shí),有限元法是現(xiàn)階段最適用的方法,它能解決由于試樁困難及實(shí)測費(fèi)用大而無法大量進(jìn)行的問題。

    1.1 有限元模型

ABAQUS的接觸模擬中,要在模型中的各個(gè)構(gòu)件上建立表面,并建立接觸對(duì),采用主一從(Master-Slave)接觸算法。選擇主、從表面的原則是從屬表面的網(wǎng)格劃分更加精細(xì),若網(wǎng)格密度相近,則應(yīng)選擇較柔軟的材料表面為從屬表面。

因此,這里選擇土體表面為從屬表面,如圖1所不。

圖 1 接 觸 面 模 型

在幾何模型上,用大尺寸來模擬半無限空間體,計(jì)算時(shí)土體的半徑遠(yuǎn)大于樁橫截面的半徑(如土體半徑取為樁橫截面半徑的40^-60倍)。

對(duì)于單個(gè)的大直徑超長樁的軸向受荷有限元分析,可簡化為軸對(duì)稱平面問題進(jìn)行計(jì)算。文中采用4結(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱單元。為了減小計(jì)算誤差,同時(shí)也為了縮短計(jì)算時(shí)間,在樁土接觸面附近單元網(wǎng)格劃分的較細(xì),而在遠(yuǎn)離接觸面的土體,網(wǎng)格劃分相對(duì)稀疏,如圖2所示。

對(duì)樁體采用彈性體分析,土體采用彈塑性體分析。ABAQUS里提供了多種塑性本構(gòu)模型閣,文中采用工程上常用的摩爾一庫侖模型。ABAQUS軟件可以考慮側(cè)向土壓力系數(shù),在·INITIALCONDITIONS中設(shè)置初始地應(yīng)力及側(cè)壓力系數(shù),并可在’GEOSTATIC步中實(shí)現(xiàn)平衡。這對(duì)模擬巖土問題是非常有效的。

圖 2 網(wǎng) 格 局 部 放 大 圖

    1.2 庫侖摩擦模型

Toolan曾提出,在樁周為均質(zhì)土的條件下,無論是一般的摩擦樁還是嵌巖樁,在計(jì)算樁側(cè)阻力時(shí),樁端處樁側(cè)摩阻力按平均值的2倍取值,這是充分考慮到樁側(cè)摩阻力強(qiáng)化效應(yīng)的結(jié)果川。運(yùn)用ABAQUS軟件,可以很容易模擬樁側(cè)阻力沿深度變化的曲線圖,而且形狀與現(xiàn)場測試曲線類似,如圖3所示。

圖3 樁側(cè)阻力

    2 算例

南通某橋梁工程試樁共為6根鉆孔灌注樁,其中北岸3根。文中對(duì)北岸1”試樁的樁側(cè)摩阻力進(jìn)行數(shù)值仿真。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),土體的半徑取30 m,側(cè)向壓力系數(shù)取0.5,材料參數(shù)見表1
和表2。

    2.1 樁側(cè)摩阻力及樁端反力的分擔(dān)

    此次試樁靜載試驗(yàn)以及ABAQUS的模擬值見表3。

樁頂載荷應(yīng)由樁側(cè)摩阻力和樁端反力分別承擔(dān),但此樁的樁側(cè)摩阻力承擔(dān)了絕大部分的樁頂載荷,只有在樁頂載荷達(dá)到一定值時(shí),才有少部分的樁端反力產(chǎn)生。當(dāng)載荷達(dá)到8o0kN時(shí),樁側(cè)摩阻力仍然占到樁頂載荷的9%以上,繼續(xù)加載到10000kN,樁端反力仍然很小。加載后期摩阻力充分發(fā)揮,增加的載荷一小部分由樁端承擔(dān),這表現(xiàn)出典型的摩擦樁的特征。所以對(duì)于摩擦型樁,盡可能增大樁土接觸面的摩擦力至關(guān)重要。

    2.2 沉降計(jì)算

    根據(jù)鉆孔灌注樁載荷傳遞公式,各段樁身壓縮量可按下式計(jì)算:

    樁頂總沉降的實(shí)測值、模擬值和用上式得出的計(jì)算值,如圖4所示。

圖4

相對(duì)于公式計(jì)算的結(jié)果來看,ABAQUS的模擬值更加逼近實(shí)測值。

    3 結(jié)語

利用ABAQUS軟件建立了樁土接觸的共同作用模型,分析了摩擦型樁的樁側(cè)摩阻力分布情況,并對(duì)算例中的1”試樁摩阻力和沉降進(jìn)行了仿真分析,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相吻合,說明產(chǎn)BAQUS對(duì)樁土相互作用的高度非線性問題有著很好的處理能力。

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