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基于ABAQUS的桩侧摩阻力仿真分析
摘要:采用ABAQUS软件模拟桩土相互作用中的接触问题，利用ABAQUS软件中的主一从接触算法，在桩侧与土体之间建立接触对;对桩身采用弹性模型，土体采用摩尔一库仑模型进行模拟，并考虑初始地应力的影响。通过计算，得到了桩侧摩阻力的分布情况，在算例中模拟了某试桩工程的桩侧摩阻力和桩顶总沉降，与现场测试结果相一致。
    关键词:桩土相互作用;桩侧摩阻力;沉降;ABAQUS

0 引言
    桩基设计的核心问题，不外是沉降和承载力两个方面。在以往的设计中，似乎桩侧摩阻力只是一个固定不变的值，而且往往估计过小。事实上，桩侧摩阻力的值是随着桩顶载荷，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。
    所以，正确分析和计算桩侧摩阻力的分布及影响因素至关重要。传统的方法是做桩的破坏性载荷试验。然而，做桩的现场载荷试验既费工又费钱，尤其对于大直径桩，要进行这类试验需施加很大的试验载荷，无论是加载条件，还是试验技术都很困难。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，进而确定桩的竖向承载力，是值得广泛关注的问题。

1 建立桩土计算模型
    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而无法大量进行的问题。
    1.1 有限元模型
    ABAQUS的接触模拟中，要在模型中的各个构件上建立表面，并建立接触对，采用主一从(Master-Slave)接触算法。选择主、从表面的原则是从属表面的网格划分更加精细，若网格密度相近，则应选择较柔软的材料表面为从属表面。
    因此，这里选择土体表面为从属表面，如图1所不。

图 1 接 触 面 模 型
    在 几 何模 型上，用大尺寸来模拟半无限空间体，计算时土体的半径远大于桩横截面的半径(如土体半径取为桩横截面半径的40^-60倍)。
    对 于单 个 的大直径超长桩的轴向受荷有限元分析，可简化为轴对称平面问题进行计算。文中采用4结点双线性轴对称单元。为了减小计算误差，同时也为了缩短计算时间，在桩土接触面附近单元网格划分的较细，而在远离接触面的土体，网格划分相对稀疏，如图2所示。
    对 桩体 采 用弹性体分析，土体采用弹塑性体分析。ABAQUS里提供了多种塑性本构模型阁，文中采用工程上常用的摩尔一库仑模型。ABAQUS软件可以考虑侧向土压力系数，在·INITIALCONDITIONS中设置初始地应力及侧压力系数，并可在’GEOSTATIC步中实现平衡。这对模拟岩土问题是非常有效的。

图 2 网 格 局 部 放 大 图

    1.2 库仑摩擦模型

To ol an 曾提出，在桩周为均质土的条件下，无论是一般的摩擦桩还是嵌岩桩，在计算桩侧阻力时，桩端处桩侧摩阻力按平均值的2倍取值，这是充分考虑到桩侧摩阻力强化效应的结果川。运用ABAQUS软件，可以很容易模拟桩侧阻力沿深度变化的曲线图，而且形状与现场测试曲线类似，如图3所示。

图3 桩侧阻力

2 算例
    南 通某 桥 梁工程试桩共为6根钻孔灌注桩，其中北岸3根。文中对北岸1”试桩的桩侧摩阻力进行数值仿真。根据现场实测数据，土体的半径取30 m，侧向压力系数取0.5，材料参数见表1
和表2。

2.1 桩侧摩阻力及桩端反力的分担
    此 次试 桩 静载试验以及ABAQUS的模拟值见表3。
    桩顶 载 荷 应由桩侧摩阻力和桩端反力分别承担，但此桩的桩侧摩阻力承担了绝大部分的桩顶载荷，只有在桩顶载荷达到一定值时，才有少部分的桩端反力产生。当载荷达到8o0kN时，桩侧摩阻力仍然占到桩顶载荷的9%以上，继续加载到10000kN，桩端反力仍然很小。加载后期摩阻力充分发挥，增加的载荷一小部分由桩端承担，这表现出典型的摩擦桩的特征。所以对于摩擦型桩，尽可能增大桩土接触面的摩擦力至关重要。

2.2 沉降计算
    根据钻孔灌注桩载荷传递公式，各段桩身压缩量可按下式计算:

 桩顶 总 沉 降的实测值、模拟值和用上式得出的计算值，如图4所示。

图4
    相 对 于 公式计算的结果来看，ABAQUS的模拟值更加逼近实测值。

3 结语
    利用 AB AQUS软件建立了桩土接触的共同作用模型，分析了摩擦型桩的桩侧摩阻力分布情况，并对算例中的1”试桩摩阻力和沉降进行了仿真分析，计算结果与实际相吻合，说明产BAQUS对桩土相互作用的高度非线性问题有着很好的处理能力。