考虑固结的摩擦型单桩ABAQUS数值模拟

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1、第28卷第11期河南科学Vol.28No.112010年11月HENANSCIENCENov.2010文章编号：1004-3918（2010）11-1431-03考虑固结的摩擦型单桩ABAQUS数值模拟陈晶（南京农业大学工学院，南京210031）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－从接触算法，在桩侧于土体之间建立了接触对；对桩身采用弹性模型，土体采用摩尔－库仑模型进行模拟，并考虑初始地应力的影响.通过对某大桥试桩的计算，得到了桩侧摩阻力的分布曲线，并对比了不考虑土体固结和考虑固结时桩体的沉降情况.关键词：桩土相互作用；桩侧摩阻力；

2、固结；ABAQUS中图分类号：TU473.1+2文献标识码：A对于摩擦型单桩，其承载力主要由桩侧摩阻力承担.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需施加很大的试验荷载，这无论是从加载条件还是从试验技术上讲都是很困难.[1-2]所以利用数值分析的方法来确定桩侧摩阻力作用情况，是值得广泛关注的问题.1建立桩土计算模型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（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

3、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.[3]ABAQUS里提供了多种塑性本构模型，这里采用工程上常用的摩尔－库仑模型.ABAQUS软件可以考虑侧向土压力系数，在*INITIALCONDITI

4、ONS中设置初始地应力及侧压力系数，并可在*GEOSTATIC中实现平[6]衡.对称轴对称轴载桩桩荷主接触面接触面土体土体从接触面桩侧阻力桩端反力图1桩土力学模型图2网格局部放大图Fig.1Mechanicalmodelofpile-soilFig.2Partofmeshing收稿日期：2010-08-30作者简介：陈晶（1989-），男，江苏南京人，讲师，硕士，研究方向为岩土的数值分析方法.-1432-河南科学第28卷第11期[4]1.2库仑摩擦模型22经典的库仑摩擦模型假设，当等效摩擦力τeq=姨τ1+τ1小于临界应力τcrit时，就不发生滑移.临界应力τcrit由τcri

5、t=μp确定.式中，μ为摩擦系数，p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τmax，则许用摩擦力由τmax=min（μp，τmax）确定.2考虑土体固结桩的承载在前期施工阶段，软土结构受到扰动并产生超静孔隙水压力，使得软土抗剪强度下降.施工结束后，软土的强度将随间歇时间的增长而提高，这是因为施工引起的超静孔隙水压力逐渐消失而有效应力逐步恢复.沉桩、桩侧土自重以及表面堆载都会使得超孔隙水压力随时间而消散，桩侧土发生固结，超孔压逐渐消散，土的有效应力和密实度逐渐增大，强度逐渐增强，从而能提高极限摩阻力，提供更大摩擦力.考虑在完全饱和的

6、地基土中灌注一根底部标高为-73m的桩，桩的弹性模量为40GPa，泊松比0.25.地基土各项参数如表1所示.桩土接触面的摩擦系数为0.6，桩顶载荷3000kN.表1地基土计算参数Tab.1Materialparametersofsoil2.1单面排水时的情况假设土层单面排水，即只在地表可以排水，其它边界完全不排水.坠u边界条件u│z=0，│z=H=0；坠z初始条件u│=u.t=002.2双面排水时的情况坠u再考虑一下双面排水的情况，即地基土两侧和地表排水，边界条件为u│z=0=0，u│r=a=0，│z=H=0，初始r=b坠z条件为u│=u.t=00图3和图5显示的分别是单面排水

7、和双面排水状态下，不考虑固结和固结若干天之后，桩身沉降沿深度变化的曲线图.由于考虑了固结的影响，桩身沉降有明显的降低.而相比于单面固结，同样的固结计算时间，双面固结时桩顶的沉降都有所减少.双面排水时，在200d之后，桩顶的沉降约为3.3mm；继续延长固结时间到300d，则桩顶沉降量为3.2mm，而整个桩身的平均沉降已基本上不再变化，说明沉降已近完成.图4和图6显示的是单面排水和双面排水状态下，桩土接触面上的摩阻力沿桩身的变化分布图.从最大摩阻力数据统计可以看出，在地基土固结完成之后再考虑桩的