单桩负摩阻力的abaqus分析报告

单桩负摩阻力的有限元分析1、引言当桩与桩侧土体产生相对位移的时候，桩壁即作用有摩阻力。由于堆载、填土或土体固结等原因，使得桩周土体的沉降要大于桩的沉降，此时，桩侧土体对桩产生的摩阻力与桩的位移一致，即为桩的负摩阻力。桩的负摩阻力相当于在桩顶荷载之外，又附加了一个分布于桩侧壁上的面荷载，它可能在上部结构使用期间发生。如果在桩基础设计时未考虑或未能充分合理地考虑到这种情况，对于端承桩，就有可能造成桩身或桩端地基破坏；对于摩擦桩，上部结构就会加大沉降或产生不均匀沉降。本报告以之前做过的桩基负摩阻力模型试验为模拟对象，采用abaqus对地下水位下降（导致土体固结）引起的单桩负摩阻力进行了分析，得出地下水位下降随时间的变化曲线，固结过程中的单桩轴力图、单桩侧摩阻力图、桩土沉降随时间的曲线图，最后，再对模拟数据与模型试验的实测数据进行对比分析。2、ABAQUS软件简介ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，具有广泛而先进的模拟性能。它拥有大量不同类型的单元模型、材料模型、分析过程等。无论是分析一个简单的线弹性问题，或者是一个包括凡种不同材料、承受复杂的机械和热载荷过程以及变化接触条件的非线形组合问题，应用该软件计算分析都会得到令人满意的结果。ABAQUS最大的优势在于其强大的非线性功能，它在处理各种不同材料、复杂荷载过程以及变化接触条件的非线形组合问题都具有明显的优势。而岩土介质恰恰是具有非均质、非线形的性状等因素的特殊介质，因此ABAQUS非常适合用于岩土工程学科的研究，也是国外岩土工程界使用得最普遍的有限元分析和计算软件。在ABAQUS中，ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit是计算分析的主要模块，在一般的静力分析中，一般采用ABAQUS/Standard模块，该模块采用的非线性求解方法为Newton-Raphon法。在求解时，ABAQUS首先将一个分析步中施加的荷载分解为许多小的增量步，结构对于一个小的荷载增量△p的非线形响应如图1所示。ABAQUS用与结构初始位移u。相对应的结构初始刚度K0荷载增量△p来计算结构的位移修正Ca、修正后的结构位移。、以及相应的新的结构刚度Ka；然后ABAQUS利用新的结构图1在增量步中的首次迭代原理图图2在增量步中的第二次迭代原理刚度Ka来计算更新后的结构的内力Ia，所施加的总荷载P和Ia的差值Ra=P－Ia作用力残值。如果Ra在型的每一自由度上均为零，相当于图1中的a点位于载荷-挠度曲线上，此时结构处于平衡状态。在非线形问题中，通常不可能使Ra等于零，因此ABAQUS将其与容许值进行比较，如果Ra作用力残值的容许值小，ABAQUS就接受此时的结构位移作为平衡结果，但ABAQUS还要检查位移修正Ca与总的量位移△ua=ua－u0相比是否是一小量，若Ca大于增量位移的1%,ABAQUS将重新进行迭代。只有上述两个收敛性都得到满足，其结果才被认为是该载荷增量的收敛解。若迭代结果不收敛，ABAQUS将利用刚度矩阵Ka和Ra进行另一次迭代得到新的位移修正值ca。同样，第二次迭代中ABAQUS用新的残余力Rb、新的位移ub,继续验证收敛性直至收敛，或者迭代次数超过ABAQUS规定次数而认为已发散。3有限元模型简介3.1桩土接触面的处理桩土界面的接触变形是一类非线性问题，但它既非几何非线性也非材料非线性，而属于边界条件非线性问题。接触面变形的研究，主要包含两个方面:一是接触面上的本构关系，尤其是剪应力和剪切变形之间的关系;一是接触面单元，它是有限元计算中用以模拟接触面变形的一种特殊单元。两方面的研究是互相联系的，接触面单元是为了表达接触面上的变形，接触面变形的表示又要适应所选用的接触面单元。接触面的破坏有两种形式:一是张裂，一是滑移。国内外众多学者均对接触面单元进行了深入的研究，提出的接触面单元模型很多。在实际的研究分析中，主要采用了两种接触单元模型，即无厚度单元和有厚度单元。1)无厚度接触单元无厚度单元主要有Goodman单元和点面接触模型。Goodman(1968)等提出的节理单元，即Goodman单元，应用较为广泛。Goodman单元模型虽然能模拟接触面的相对滑移和张开，但量值较小，当产生较大滑移、张开、重叠后往往引起解的不收敛。点面接触模型来模拟桩土接触面，该模型的特点是能进行大变形计算，如较大尺寸的张开、滑移等。点面接触模型中，有2个重要的力学参数:摩擦系ƒ和切向刚度Kt2)有厚度接触单元而有厚度接触面单元的研究者认为大多数情况下，桩土的接触是粗糙的，因而接触面的剪切破坏并不发生在桩土的交界面上，而多发生在靠近接触面的土体内，在接触面附近形成了一个剪切错动带。这个剪切错动带内土体的应力、变形性质明显不同于周围的土体，它代表了接触面的特性。因而采用有厚度的接触单元来模拟这个剪切错动带是比较合理的。而且，采用有厚度接触单元可以避免两侧单元的相互嵌入。由于有厚度接触单元法向刚度系数Kn值可通过试验确定，因而也避免了像Goodman单元对Kn任意取值所带来的σn较大误差。但采用有厚度单元分析实际问题时，存在一个单元厚度的取值的问题。目前确定单元厚度的方法，只是一种考虑原则，不可能给出一个确切的计算公式。事实上它只能是一个模糊的数值，一个大致的粗略的估计值。3)两种单元的评价两种接触面的单元模型用于分析时均有其缺陷。无厚度单元在确定切向刚度Kt时，具有一定的随意性。有厚度接触面单元则在确定厚度的问题上具有模糊性，或者说近似性。4)国内学者的相关研究国内有众多学者对接触面的问题进行了深入细致的研究，得到一些土与结构物的接触面基本性质；摩擦系数与土的特性密切相关，其大小随着土强度的增大而增大。摩擦系数还与接触面的粗糙程度有关，一般钢的表面光滑度比混凝土高，因此土与钢的接触摩擦系数比土与混凝土的接触摩擦系数小，随着土强度的增高，它们的差值也越大。粘性土对接触面粗糙程度的敏感性较小，而砂土对接触面粗糙程度的敏感性较大。限于目前的研究水平，国内外始终没有提出一种与实际桩土界面工作性能完全吻合的接触面模型。5)结论鉴于桩土界面的相对变形关系准确模拟一直以来就为桩基有限元模拟的一个难点，采用ABAQUS的FRIC子程序人为定义桩土截面的剪应力传递从而实现了桩土界面剪应力的传递关系。文中采用剪应力与剪切位移采用罚函数的形式。3.2本构模型及参数取值在桩土共同作用分析中，因为桩身材料受荷变形远小于土体，故将其作为弹性材料处理。本节只对土体的本构关系选取作介绍。土是自然历史的产物，是由固体颗粒、水和气体组成的多相组合体，它又是多矿物组合物。这就造成了它的应力－应变关系要比金属材料复杂得多。实际工程中土的应力－应变关系是很复杂的，具有非线性、弹塑性、粘塑性、剪胀性、各向异性等性状，同时应力路径、强度发挥度以及土的组成、结构状态和温度等均对其有影响。事实上，没有任何一种模型能考虑所有这些影响因素，也没有任何一种模型能够适用于所有土类和加载情况。目前土的本构理论研究的目的有二种趋向，一种是为了建立用于解决实际问题的实用模型，另一种是为了进一步揭示土体某些应力应变特性的内在规律比较精细的理论模型。本文的目的显然是第一种，即为解决实际的工程问题。目前可供采用的岩土塑性本构模型很多，其中以剑桥模型、修正剑桥模型Mobr－Coulomb等模型最为著名。鉴于Mobr－Coulomb模型应用简单，在较低应力水平内与实测数据接近，计算参数较易获得，故采用该模型。Mobr－Coulomb模型理论基础就是在最大剪应力屈服准则的基础上，考虑了剪切面上正应力的影响得到的广义最大剪应力准则。在屈服破坏之前，采用弹性模型，设置变形模量和泊松比。屈服破坏准则如图3所示。图3莫尔一库仑模型简图ABAQUS程序中该模型在偏应力面的塑性势函数G采用Menetrev和Willam(1995)提出的双曲线函数式中3.3模型描述图4、5分别为单桩负摩阻力分析的桩土装配图、网格划分图。由于由于几何模型和外荷载都具有对称性，所以采用了轴对称模型进行分析。桩体采用4结点双线性轴对称单元CAX4，土体采用4结点的渗流/变形耦合轴对称单元CAX4P，靠近桩土的网格要更细些，而远离桩体的网格要稀疏些。桩长2.1m，桩径0.05m，土层为多层土，自上往下为别为0.25m的粘土层，0.75的淤泥层，2.3m的砂土层，桩土的材料参数见表3-1。本模型考虑饱和土在地下水位下降后，桩周土体的固结沉降对桩身产生的负摩阻力作用，整个分析过程的时间为20天。在桩与桩周土体之间，桩与桩底土体之间，均设置了滑动接触面，模拟桩与土的相互作用，为了简化计算，桩土之间的摩擦系数统一取做μ=0.45进行计算。3.4分析过程分析过程分两步进行，第一步为*Geostatic分析步，进行初始应力场的平衡，对土体，要分别获得有效应力平衡和空隙水压力的平衡，对于桩体只需建立应力平衡，初始应力平衡后的模型应力云图，位移云图分别如图6、7所示。*initialconditions,type=stress,geostatic；soil-1.soil,0,3.3,4625,3.05,0.5,0.5；soil-1.soil,4625,3.05,17750,2.3,0.5,0.5soil-1.soil,17750,2.3,62600,0,0.5,0.5pile-1.pile,0,3.4,98000,1.3,0.3,0.3*initialconditions,type=ratiosoil-1.niantu,2.0soil-1.yuni,2.0soil-1.shatu,0.8*initialconditions,type=porepressuresoil-1.soil,0,3.3,33000,0*step,name=gravity*geostatic*Dloadsoil-1.soli,grav,9.8,-1.0*DloadPile-1.pile,grav,9.8,-1.0图4单桩轴对称装配图图5单桩轴对称网格图表3-1桩土材料参数类别弹性模量E（MPa）密度ρ（kg/m3）泊松比ν粘聚力c(kPa)内摩擦角Φ（o）剪胀角Ψ（o）渗透系数（m/s）粘土318500.34111906×10-5淤泥217500.3711501×10-8砂土4019500.404738100.006桩210×10324000.3第二步为*soils,consolidation分析步，在该步中，地下水位高度从3.3m高下降到0，土体进行固结，整个过程时间为20天。在*soils,consolidation分析步中，采用自动时间步长，把UTOL设为一较大值20kPa，使得增量步长不受该参数的影响，而主要受材料非线性和接触非线性的控制。由于土体为非相关联的流动，所以刚度矩阵非对称，应设置unsymm=YES。图6地应力平衡后的模型应力云图图7地应力平衡后的模型位移云图3.5结果与分析在地下水下降土层固结的过程中，不同时间桩侧摩阻力随深度的变化曲线如图8所示。桩周土体的固结沉降在桩的上部产生负摩阻力，并且负摩阻力随固结过程增大，负摩阻力范围也逐渐增大，中性面下降（侧摩阻力为零的位置）。图8桩侧摩阻力随深度的变化曲线图9桩身轴力随深度的变化曲线桩周土体的负摩阻力相当于对桩体施加了一个下拉力，图9为不同时间桩身轴力随深度的变化曲线，随着时间的增加，桩身轴力增加，在中性面以下摩阻力为正摩阻力，所以，桩身轴力减小。图10地下水位随时间的变化曲线图11桩顶沉降随时间的变化曲线由于模型试验中在箱底部打孔排水，排水速率较快，所以abaqus模拟边界排水时，所设置的地下水渗出边界条件强度值较大，为0.02m/h。后处理所得地下水位随时间的变化曲线如图10所示。水位下降后，土体会发生固结沉降，持力层土的沉降同样会使得桩也发生沉降，桩顶的沉降随时间的变化曲线如图11所示。随着时间的增加，桩顶沉降也图1220天时桩土模型的位移云图图13桩端阻力随时间的变化曲线增大。对比之前模型试验的桩的沉降数值，abaqus模拟得到的桩顶沉降值要远