开口管桩高频振动贯入过程的ALE有限元分析

JournalofEngineeringGeology工程地质学报1004-9665/2016/24(3)-0398-11DOI：10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.009开口管桩高频振动贯入过程的ALE有限元分析肖勇杰陈福全林良庆(福州大学土木工程学院福州350116)摘要任意拉格朗日-欧拉（ALE)方法吸取了拉格朗日和欧拉法的优点，避免了常规有限元中拉格朗日方法的网格畸变问题，适用于开口管桩高频振动贯人过程的计算分析。采用ALE有限元方法，建立开口管桩高频振动贯人过程的数值模型，对沉桩过程中挤土效应、桩侧阻力和土塞效应的变化规律进行了详细研究。研究结果表明：挤土应力主要沿径向传播,且深层土体受到的挤土应力比浅层土体大；水平挤土位移随管桩贯人深度的增加而增大,而最大水平挤土位移与管桩贯人深度存在累积效应；挤土效应的影响范围约为10倍管径，因此在施工过程中要给以足够重视；桩外侧摩阻力随贯人深度增加呈近似线性增长，桩内侧摩阻力随贯人深度增加而呈非线性增长，增长速率随贯人深度增加而逐渐增大；管内土塞处于不完全闭塞状态，土塞程度由完全非闭塞向部分闭塞过渡。此外，研究了土体模量、桩土界面摩擦系数、振动频率和桩径对土体位移的影响。关键词开口管桩高频振动ALE方法有限元中图分类号:TU473.1文献标识码:AALEFINITEELEMENTANALYSISONPENETRATIONPROCESSOFOPEN-ENDEDPIPEPILESDRIVENWITHHIGHFREQUENCYHAMMERSXIAOYongjieCHENFuquanLINLiangqing(SchoolofCivilEnyineerinyofFuzhooUniversity,Fuzhoo35011/)AbstractArbitraryLagrangian-Eulerian(ALE)methodscoupletheadvantagesofLagrangianandEulerianmethods,andavoidthemeshdistortionproblemofLagrangianmethodofgeeeralfiniteelemeet.Themethodscaneffectivelyanalyzethepenetrationprocessofopen-endedpipepilesdrivenbyhighfrequencyhammers.BasedonALEfiniteelementmethods,thefiniteelementmodeloffullpenetrationprocessofopen-endedpipepilesdrivenbyhighfrequencyvibratoryhammersisbuilt.Thepaperstudiesindetailsqueezingeffect,frictionalresistanceandsoilpluggingeffectduringpile-sinking.Thecomputationalresultsshowthatthecompactingstressmainlyspreadsalongthehorizontaldirection,andthecompactingstressindeepsoillayersislargerthancompactingstressinshallowsoillayers.Thehorizontalcompactingdisplacementsincreasewiththeincreaseofpenetrationdepth.Butthemaximumcompactingdisplacementdelayspenetrationdepth.Theaffectingrangeofsqueezingeffectisapproximately10timespilediameter.Soitisnecessarytoputgreatemphasisonfullpenetrationprocessofpipepile.Outsidefrictionresistanceofpilesincreaseslinearlywiththeincreaseofpenetrationdepth.Insidefrictionresistanceofpiles*收稿日期：2015-03-11;收到修改稿日期：2015-04-29.基金项目：国家自然科学基金项目（41272299)资助.第一作者简介：肖勇杰（1988-)，男，博士生，研究方向为土力学与基础工程、岩土工程数值分析.Email:Xia〇_yogie@12/cm通讯作者简介：陈福全（1971-)，男，博士，教授，研究方向为土力学与基础工程、岩土工程数值分析、边坡工程.Email:[e-mail]24(3)肖勇杰等：开口管桩高频振动贯入过程的ALE有限元分析399increasesnonlinearwiththeincreaseofpenetrationdepth.Thegrowthrateincreasesgraduallywiththeincreaseofpenetrationdepth.Soilplugsofpipesareincompletelypluggedconditions.Degreeofsoilplugsvariesfromunpluggedconditionstopartiallypluggedconditions.Furthermore,theinfluenceofsoilelasticmodulus,frictions,vibrationfrequenciesandpilediametersonthecompactingdisplacementsareinvestigated.KeywordsOpen-endedpipepile,Highfrequencyvibration,Arbitrarylagrangian-eulerianmethod,Finiteelementmethod〇引言随着岩土工程技术的发展和大型工程建设的需求，开口管桩在各种建筑基础中得到越来越广泛的应用（Liu,2008;Liuetal.，2009;丁选明等，2013;许崧等，2013)。开口管桩主要沉桩方法包括静压沉桩法、锤击沉桩法和振动沉桩法。当开口管桩采用静压法或锤击法贯入时，桩周土体不会产生大变形，常规有限元能有效模拟开口管桩贯入过程(Liyanapathiranaetal.,200)。然而，开口管桩高频振动贯入过程是一个非常复杂的结构与土体相互作用的力学过程，不仅涉及到高频振动与挤压对周围土层的强烈扰动作用，还涉及到管桩内外侧壁与土体间的高频反复剪切与滑移，桩周土体产生大变形。采用常规有限元模拟开口管桩高频振动贯入过程时，容易出现桩周附近土体大变形、网格高度扭曲和边界条件改变明显等数值计算问题，导致计算结果不精确，甚至计算不收敛。许多学者针对压桩大变形问题进行了研究。VandenBerg(1994)较早采用Eulerian有限元法模拟桩贯入土体。Eulerian有限元单元在空间上是固定的，材料在空间流动，单元不会随着材料的运动而扭曲。但Eulerian单元在处理移动边界和桩土相互作用的问题上受到较大限制。Feng(1997)利用FLAC有限差分程序建立桩振动贯入的二维模型，分析了土体条件、振动锤参数和桩体参数对振动沉桩过程的影响。有限差分单元材料可以采用线性或非线性本构模型，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动，从而避免了网格扭曲问题。由于有限差分法无需反复迭代实现非线性本构关系，其在分析大变形问题时比有限元更具优势。但FLAC有限差分程序的前处理功能较弱，建立复杂三维模型较为困难。近年来，任意拉格朗日-欧拉方法（ArbitraryLagrangian-Eulerian，ALE)被发现是处理大变形网格扭曲问题的有效方法。ALE方法最早是由Noh(1964)根据“混合欧拉-拉格朗日”方法提出的，并用于模拟流体力学的自由面和边界条件运动。随后，该法被分别应用于解决二维和三维流体问题(Hirtetal.,1974;Steinetal.,1977)。Belytschkoetal.(1978)首次将ALE方法嵌入到有限元程序中，解决了核安全分析中常见的流固耦合问题，主要特点是流体采用ALE方法分析，固体采用拉格朗日方法分析。Hughesetal.(1981)结合运动学理论，提出了适用于考虑黏性不可压缩流体的有限元程序。随着ALE理论不断发展，ALE方法逐渐应用于固体力学的大变形问题。Liuetal.(1986)最早将ALE方法应用于固体力学问题求解，建立了与路径相关材料ALE描述的一般格式和非线性ALE有限元分析的显式计算过程。近来，ALE方法被广泛应用于解决岩土工程问题。Huetal.(1998)提出了ALE方法的土体大变形数值程序，该程序结合了传统小应变有限元方法与自动网格划分技术，用于解决平面应变及轴对称的圆孔扩张和地基承载力等问题。Walkeretal.(2006)采用ALE有限元方法，对静力触探试验(CPT)进行数值模拟，并与前人研究结果比较，验证了数值模拟结果的可靠性。结果表明，ALE方法能有效避免常规有限元分析中网格畸变及高度扭曲问题，真实地反映圆锥贯入时土体的变形情况，可用于分析岩土贯入问题。Nazemetal.(2006，2008)基于ALE有限元原理，提出了一种新的网格优化技术，并成功地应用于求解土体固结、渗透问题。Henkeeal.(2008)利用ALE有限元方法，对开口管桩振动贯入过程中土塞效应进行研究。研究发现，管桩振动贯入过程中管内土塞处于不完全闭塞状态，与试验结果相一致。Shengetal.(209)分别采用ALE法和拉格朗日（UpdatedLagrangian，UL)法分析桩的贯入过程。与UL法相比，ALE法对于处理桩贯入过程土体单元网格畸变问题是更有效的，计算成本也相对较低。Ekanayykeetal.(213)采用ALE有限元方法，研究了振动打桩过程中地面振动规律。由于ALE方法吸取了拉格朗日和欧拉法的优点，避免了常规有限元中拉格朗日方法的网格畸变400JournalofEngineeringGeology工程地质学报2016问题，能更好地模拟开口管桩高频振动贯入过程。因此，采用ale有限元方法精确分析开口管桩高频振动贯入过程，有助于更加深入、全面认识开口管桩高频振动贯入的沉桩机理及桩周土体性状变化过程。本文首先详细介绍了ale方法原理，研究了其求解步骤，及其在高频打桩全过程分析中的建模过程和方法；然后采用ale有限元方法详细地研究了开口管桩高频振动贯入全过程，并将ale有限元方法的计算结果与浅层应变路径法（SSPM)、更新的拉格朗日有限元方法（UL)的计算结果进行比较，探究ale有限元技术的优点及其分析开口管桩高频振动贯入过程的适用性；接着利用ale有限元方法，深入研究了开口管桩振动沉桩挤土效应、桩侧阻力和土塞效应；最后分析了土体模量、桩土界面摩擦系数、振动频率和桩径对土体位移的影响。1任意拉格朗日-欧拉法的原理任意拉格朗日-欧拉（ale)法是基于算子分裂技术建立的（Shengetal.,2009),并通过更新的拉格朗日步建立基本平衡方程。1.1更新的拉格朗日解刚体运动对Cauchy应力张量的影响。对于大滑移接触问题，接触约束是采用当前的组态来描述，更新的拉格朗日方程更适合该类接触问题。然而，在岩土材料本构关系中，第2Piola-Kirchhoff应力和Green-Lagrangian应变s的应力-应变关系难以实现，则将Cauchy应力率分解为一个与应变有关的构架独立的应力率(Jaamann应力率）和一个与刚体运动有关的应力率，即：doj=dtTi-(Tlkdnkj-(Tjkdnu=CljUdeu()a,-1Idu,duj\⑷式中，C,i为Cauchy应力和