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      基于ABAQUS 軟件的靜壓鋼板樁有限元模擬分析

      2021-04-26 04:13:22李宇航
      科學技術創(chuàng)新 2021年10期
      關鍵詞:沉樁本構靜壓

      李宇航

      (廣東工業(yè)大學,廣東 廣州510006)

      1 概述

      樁基礎是一種對土質環(huán)境適應性較強的建筑基礎,其具有久遠的歷史及較高的承載力,被廣泛地應用于高層、橋梁、碼頭等建筑物中。近年來,隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展及城鎮(zhèn)化步伐的加快,極大促進了鋼板樁在我國的發(fā)展和應用。鋼板樁作為一種現(xiàn)代基礎與地下工程領域的重要工程建設的施工材料,可滿足傳統(tǒng)水利、土木道路交通工程、環(huán)境污染整治及突發(fā)性災害控制等眾多工程領域的施工需求[1]。

      近年來,隨著靜壓樁技術的廣泛應用,靜壓鋼板樁這一施工優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來。目前,眾多學者對靜壓樁的沉樁機理進行了數(shù)值模擬研究,如張吉坤等[2]用ABAQUS 軟件建立了靜壓樁連續(xù)貫入土體的有限元模型,探討了沉樁過程中樁周土體的應力與應變分布特征,得到了貫入阻力隨深度變化的規(guī)律。郝友超[3]利用ABAQUS 數(shù)值模擬軟件,對沉樁過程中壓樁力、樁端阻力以及樁側摩阻力隨沉樁深度的變化進行了分析,實現(xiàn)了模型樁在砂土內(nèi)連續(xù)貫入的數(shù)值仿真。辛翀[4]利用ABAQUS 軟件對某工程靜壓樁進行了數(shù)值分析,并將軟件處理的結果與實測結果進行了比較。牛永昌[5]借助靜壓樁的沉樁阻力及承載力時效性的現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù),用ABAQUS 有限元分析軟件對靜壓樁的沉樁阻力、樁端阻力等進行了系統(tǒng)分析研究。

      本文結合實際情況,在ABAQUS 平臺上,采用Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL)方法,對鋼板樁的沉樁過程進行了模擬分析,研究了鋼板樁在沉樁過程中沉樁阻力隨深度的變化規(guī)律,同時,研究了選用不同本構模型對鋼板樁沉樁阻力的影響,研究成果對于靜壓鋼板樁的實際施工具有理論指導意義。

      2 有限元模型的建立及參數(shù)設置

      本文在ABAQUS 平臺上,采用CEL 法對鋼板樁單樁沉樁的過程進行模擬分析。模擬采用總應力法;模擬過程中假定土體為均質連續(xù)的彈塑性土體,樁為剛性體;考慮土體初始應力的影響。為簡化運算,本文建立二分之一的樁土模型。土體為半徑為1m,高6m 的圓柱體,取其一半,樁為長度為6m,沉樁深度為4m。計算簡圖如圖1 所示,樁土計算參數(shù)見表1。

      模擬時首先要對土體進行地應力平衡,消除位移產(chǎn)生的影響。為此,需要在軟件的分析步模塊創(chuàng)建initial 和step-1 兩個分析步;在initial 分析步中定義土體的邊界條件,在step-1 分析步中給土體施加重力荷載,提交作業(yè)得到ODB 文件;最后采用平衡效果好的ODB 文件,在載荷模塊中帶入模型中,進行計算。本文進行地應力平衡后的初始地應力豎向位移達到10-11~10-12滿足平衡要求。其次,考慮樁土相互作用發(fā)生大變形情況,在軟件的相互作用模塊設置樁土間的接觸形式,樁土之間的切向接觸采用罰函數(shù)的通用算法,樁土間法向行為采用硬接觸算法。最后,劃分樁土的網(wǎng)格,對于土體采用模型,網(wǎng)格結構采用50520個單元,單元類型為八節(jié)點線性歐拉六面體E3D8R,樁體采用3600 個八結點線性六面體C3D8R 單元。

      表1 樁土模型計算參數(shù)

      圖1 樁土模型計算簡圖

      3 不同本構模型對沉樁阻力的影響

      3.1 各屈服準則介紹

      模擬過程中土體首先采用Mohr-Coulomb 本構模型,得到沉樁阻力隨沉樁深度的變化曲線,隨后采用DP4、DP5 (M-N)和DP6(L-D)模型進行替換,將所得到結果進行對比分析。具體參數(shù)替換方法參照文獻[7]所述,替換后的DP4、DP5、DP6 計算參數(shù)如表2 所示。

      表2 替換后的D-P 模型計算參數(shù)

      3.2 不同屈服準則下的沉樁阻力隨沉樁深度的變化規(guī)律

      根據(jù)替換后的材料參數(shù),建立多個模型,分別采用各D-P屈服準則,將得到的各D-P 屈服準則下的沉樁阻力隨深度變化曲線進行整理,如圖2 所示。

      圖2 沉樁阻力隨沉樁深度變化曲線

      從圖2 中可發(fā)現(xiàn),樁體在下沉的過程中,在下沉0-1m 范圍內(nèi)沉樁阻力迅速增大,并在沉樁深度1m 時達到最大值,隨著沉樁深度的增加,樁體的沉樁阻力逐漸減小,并在沉樁深度為2m時趨于穩(wěn)定,最終沉樁阻力值在50kN 左右。這是由于鋼板樁為擠土樁,在下沉時需要較大的力才能進入土層,導致1m 左右沉樁阻力較大,隨著沉樁深度的持續(xù)增加,樁體在單一土層中沉樁阻力逐漸穩(wěn)定。

      通過對比不用屈服準則對沉樁阻力的影響發(fā)現(xiàn),不同屈服準則下的沉樁阻力均有差異,但是各屈服準則下的沉樁阻力隨深度變化趨勢一致。其中,采用DP4 屈服準則所得到的沉樁阻力接近于采用M-C 屈服準則下的沉樁阻力,DP5(M-N)和DP6(L-D)屈服準則考慮了中主應力的影響,因而所得到的沉樁阻力均大于DP4 和M-C 屈服準則下的沉樁阻力。

      4 結論

      本文采用ABAQUS 中的CEL 法,并用該方法模擬了鋼板樁在單一土層中的沉樁過程,從模擬結果可以看出,鋼板樁在沉樁過程中沉樁阻力呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢,最大沉樁阻力在66kN 左右,穩(wěn)定后的沉樁阻力在50kN 左右。進而說明該方法能夠適用于模擬樁土作用,為樁土數(shù)值計算打開了新思路。針對不同本構模型對沉樁阻力產(chǎn)生的影響進行了研究,研究結果表明替換不同本構模型后,DP4(等面積圓)屈服準則下的沉樁阻力值接近于采用M-C 準則下的沉樁阻力值,在這幾個本構模型中,采用DP6(Lade-Duncan)屈服準則得到的沉樁阻力最大,采用DP5(M-N)屈服準則得到的沉樁阻力值在DP4 和DP6之間,這些模擬結果與理論計算結果相符合。

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