搜索基于ABAQUS的樁側摩阻力仿真分析
2013-06-22 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
關鍵字:樁土相互作用 樁側摩阻力 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,在樁側與土體之間建立接觸對;對樁身采用彈性模型,土體采用摩爾-庫侖模型進行模擬,并考慮初始地應力的影響.通過計算,得到了樁側摩阻力的分布情況,在算例中模擬了某試樁工程的樁側摩阻力和樁頂總沉降,與現(xiàn)場測試結果相一致.
0 引言
樁基設計的核心問題,不外是沉降和承載力兩個方面。在以往的設計中,似乎樁側摩阻力只是一個固定不變的值,而且往往估計過小。事實上,樁側摩阻力的值是隨著樁頂載荷,以及深度等各種因素而變的,而且深度效應較為明顯。對于摩擦型單樁,其承載力主要由樁側摩阻力承擔。
所以,正確分析和計算樁側摩阻力的分布及影響因素至關重要。傳統(tǒng)的方法是做樁的破壞性載荷試驗。然而,做樁的現(xiàn)場載荷試驗既費工又費錢,尤其對于大直徑樁,要進行這類試驗需施加很大的試驗載荷,無論是加載條件,還是試驗技術都很困難。如何根據(jù)室內(nèi)試驗得到的有關資料,利用仿真分析的方法來確定樁側摩阻力作用情況,進而確定樁的豎向承載力,是值得廣泛關注的問題。
1 建立樁土計算模型
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、樁端及樁側注漿加固、樁長及樁直徑變化等因素時,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測費用大而無法大量進行的問題。
1.1 有限元模型
ABAQUS的接觸模擬中,要在模型中的各個構件上建立表面,并建立接觸對,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,若網(wǎng)格密度相近,則應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,計算時土體的半徑遠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)。
對于單個的大直徑超長樁的軸向受荷有限元分析,可簡化為軸對稱平面問題進行計算。文中采用4結點雙線性軸對稱單元。為了減小計算誤差,同時也為了縮短計算時間,在樁土接觸面附近單元網(wǎng)格劃分的較細,而在遠離接觸面的土體,網(wǎng)格劃分相對稀疏,如圖2所示。
對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軟件可以考慮側向土壓力系數(shù),在·INITIALCONDITIONS中設置初始地應力及側壓力系數(shù),并可在’GEOSTATIC步中實現(xiàn)平衡。這對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,在計算樁側阻力時,樁端處樁側摩阻力按平均值的2倍取值,這是充分考慮到樁側摩阻力強化效應的結果川。運用ABAQUS軟件,可以很容易模擬樁側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。文中對北岸1”試樁的樁側摩阻力進行數(shù)值仿真。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),土體的半徑取30 m,側向壓力系數(shù)取0.5,材料參數(shù)見表1
和表2。
2.1 樁側摩阻力及樁端反力的分擔
此次試樁靜載試驗以及ABAQUS的模擬值見表3。
樁頂載荷應由樁側摩阻力和樁端反力分別承擔,但此樁的樁側摩阻力承擔了絕大部分的樁頂載荷,只有在樁頂載荷達到一定值時,才有少部分的樁端反力產(chǎn)生。當載荷達到8o0kN時,樁側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,這表現(xiàn)出典型的摩擦樁的特征。所以對于摩擦型樁,盡可能增大樁土接觸面的摩擦力至關重要。
2.2 沉降計算
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算:
樁頂總沉降的實測值、模擬值和用上式得出的計算值,如圖4所示。
圖4
相對于公式計算的結果來看,ABAQUS的模擬值更加逼近實測值。
3 結語
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摩阻力分布情況,并對算例中的1”試樁摩阻力和沉降進行了仿真分析,計算結果與實際相吻合,說明產(chǎn)BAQUS對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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