桩测摩阻计算

利用ABAQUS进行桩侧摩阻力仿真计算

[摘要] 桩侧摩阻力的大小直接确定了桩的实际承载力。因而如何确定桩的侧摩阻力对于桩基设计计算的意义重要。此处借用ABAQUS有限元软件对桩的侧摩阻力进行仿真计算。[关键词] 有限元软件桩侧摩阻力仿真计算

一、引言

桩基设计的核心问题，不外是沉降和承载力两个方面。在现行的规范中，桩侧摩阻力主要通过原位测试、当地经验值、规范给定值三种方式经过修订而得的。事实上，桩侧摩阻力的值是随着桩顶载荷、地层情况，以及深度等各种因素而变的，而且深度效应较为明显。

对于摩擦型单桩，其承载力主要由桩侧摩阻力承担。因此如何正确分析和计算桩侧摩阻力的分布及影响因素至关重要。传统的方法是通过原位贯入试验测得桩的侧摩阻力。通过现场原位试验虽然可以有效的得到设计需要的数据。但是现场原位试验既费工又费钱，而且试验技术有一定的困难。现代计算机技术的飞速发展，因此如何根据室内试验得到的有关资料，利用仿真分析的方法来确定桩侧摩阻力作用情况，进而确定桩侧摩阻力，是值得广泛关注和讨论的问题。

二、桩土计算模型

在考虑土的非线性、桩周土分层、桩土间非线性相互影响、桩端有存渣、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的问题。为了方便阐述和演示，本次仿真计算采用了很大的简化。本次计算只考虑桩打入土层之后的摩阻力的变化，土层只取一层。桩取直径0.5米，长度为10米，并简化为弹性本构模型，土水平边界设置为10米，深度方向设置为30米，并简化为弹塑形本构模型。

图1：计算模型

三、计算过程

在几何模型上，采用大尺寸来模拟半无限空间体系，土体的边界半径去10米（桩半径的40倍），土体深度方向上去30米（桩长度的3倍）。

在ABAQUS的Part模块中根据工程条件通过轴对称的方式建立图1的计算几何模型，并将模型分别建成2个part，一个桩的part，一个土的part。在桩的part中只保留桩的部分，在土的part中只保留土的部分。在桩和土接触问题上，要求在土和桩相接触的地方分别建立接触面。

在 ABAQUS的Property模块中，分别建立相应的混凝土材料和土体材料，并赋值给相应

的部件。

在ABAQUS的Assembly模块中，用Independent的方式将桩和土装配成一个整体。采用Independent装配的方式，在接下来的网格划分中，可以有效的减少网格的歧义，保证网格的划分均匀。

在ABAQUS的Step模块中，为了简化计算本次只取三个计算步，桩土承受重力荷载步，桩顶受力步和桩周土承受堆载荷载步。

在ABAQUS的Interaction模块中，创建一个力学上剪切接触的Contact的接触面类型，，并采用罚函数计算方法，摩擦系数暂取为0.42。然后处理桩和土的接触问题，在此采用Master-Slave算法，在土和桩相接触的地方建立接触对。其中土体与桩的接触面取定为主面，桩与土体的接触面取为从面。

在ABAQUS的Load模块中，建立相应的荷载，并定义相应的边界条件。在荷载问题上，主要考虑桩土重力荷载、桩顶面荷载、桩周土堆载荷载三类。其中桩土的重力荷载在计算步的第一步创建，桩顶面荷载在计算步的第二步创建，桩周土堆载荷载在计算步的第三步创建。在边界问题上，土的左右二侧限制其水平位移，在土的底部限制起X、Y二个方向上的位移和绕X轴方向上的转动。

在ABAQUS的Mesh模块中，首先创建数据点的分布大小，然后选择Axisymmetric Stress 为本次计算的网格类型。最后然后确认创建网格。

最后在ABAQUS的Job模块中创建一个计算工作，并提交数据。并在Visualization模块中显示计算的结果。

四、计算结果

在ABAQUS中创建桩侧摩阻力与桩深度方向上的X-Y坐标图。

图2：土体固结过程中桩侧摩阻力变化

图3：桩顶承受上部荷载时的侧摩阻力变化

图4：桩周土有堆载后的桩侧摩阻力变化

五、结语

利用ABAQUS软件建立了桩土接触的共同作用模型，通过对桩摩阻力进行了仿真分析，可以得知桩的桩侧摩阻力分布情况，说明ABAQUS对桩土相互接触作用的问题有着很好的处

理能力。