基于ANSYS/LS—DYNA對(duì)打樁過程的數(shù)值模擬

周明偉　朱念　章鵬

摘要：采用ANSYS/LS-DYNA非線性動(dòng)力有限元分析方法，對(duì)打樁過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了打樁過程中位移和應(yīng)力變化情況，得到了有益的工程結(jié)論。驗(yàn)證了基于ANSYS/LS-DYNA非線性動(dòng)力有限元法在打樁分析問題中的可行性。

關(guān)鍵詞：有限元；打樁；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）09-2152-03

隨著工程建設(shè)朝著超高層和超大型方向發(fā)展，以及地質(zhì)條件和環(huán)境的復(fù)雜、惡劣，樁基礎(chǔ)作為一種安全、有效、可靠、適應(yīng)性強(qiáng)的基礎(chǔ)形式很好地解決了過量沉降和差異沉降的問題，而得到廣泛推廣應(yīng)用。樁基施工工藝經(jīng)歷了多年的發(fā)展，打樁主要還是靜壓法和錘擊法。錘擊由于其快速和需要?jiǎng)恿π?、作業(yè)空間小、機(jī)動(dòng)性好，是最為常用和成熟的打樁方法。目前我國(guó)打樁的設(shè)備和工藝確定還主要停留在經(jīng)驗(yàn)分析的層面上，打樁施工中提出的基于牛頓剛體碰撞理論的動(dòng)力打樁公式，并不符合打樁過程中非線性的特點(diǎn)，從而在實(shí)際應(yīng)用中存在不少問題[1]，因此在施工現(xiàn)場(chǎng)常因經(jīng)驗(yàn)不足，出現(xiàn)錘擊力過小導(dǎo)致拒錘或過大導(dǎo)致超打等現(xiàn)象[2]。該文采用大型通用軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)打樁過程進(jìn)行非線性分析，總結(jié)了一些有益的工程結(jié)論，對(duì)打樁的實(shí)際施工，有一定的啟發(fā)。

1 錘擊法打樁法基本原理

錘擊法打樁的基本原理是利用樁錘的沖擊克服土壤對(duì)樁的阻力，使樁端落到預(yù)定設(shè)計(jì)深度或進(jìn)入地基持力層。

分析打樁過程見圖1，對(duì)樁錘進(jìn)行力學(xué)分析，對(duì)樁錘和樁進(jìn)行位移連續(xù)性分析，按愛德華.L.威爾遜的理論[3]得出，當(dāng)樁錘以[Vh]的速度沖擊樁頂，沖擊力可以表示為：

式中：[ωd=ω1-ξ2、ω=km、ξ=kc2ωEA]，[Vh]為樁錘對(duì)樁頂?shù)臎_擊速度，[k]為樁頂?shù)膲|塊彈簧剛度，[EA]為樁的抗壓剛度，[c]為應(yīng)力波在樁身傳播的波速，[m]為樁錘的質(zhì)量。

錘擊打樁法的基本特點(diǎn)：①瞬時(shí)性；②沖擊力大；③樁體變形小。

2 有限元模型的建立

2.1 樁體模型的建立

為了便于分析，選擇0.3×0.3×20.0m方樁，建立幾何模型，采用SOLID164六面體單元，其材料參數(shù)見表1。樁體的本構(gòu)模型為線彈性。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用映射網(wǎng)格劃分，劃分尺寸為0.05m，網(wǎng)格劃分見圖2。

2.3 約束和邊界條件

考慮到施加的沖擊力極小，樁端幾乎不能下沉，樁端的實(shí)際約束方式可視為固定端[4]。

3 仿真過程及分析

3.1 軸向位移分析

選擇距樁底深度分別為0.0m，5.0m，10.0m，15.0m，20.0m的1#、597#、697#、797#、50#節(jié)點(diǎn)，繪制樁身軸向位移時(shí)程曲線，見圖4。

從圖4中，可以看出整個(gè)位移變化過程是在瞬時(shí)（15ms之內(nèi)）完成的，軸向位移都很小（4μm以內(nèi)），這是由打樁過程的瞬時(shí)沖擊決定的，與錘擊力幅值大小有關(guān)。觀察各節(jié)點(diǎn)位移曲線的特點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)都是在瞬時(shí)沖擊后，迅速獲得向下的軸向位移，位移的大小隨著節(jié)點(diǎn)離樁頭距離的增大而減小，C、D、E曲線獲得相同的軸向最大位移，表明C、D、E曲線對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)所在的樁身部分出現(xiàn)整體位移，保持連續(xù)性，這與各節(jié)點(diǎn)所處位置受到的豎向摩阻力大小一致，也和應(yīng)力波在土壤中傳播過程中的能量損失有關(guān)，C、D、E對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生比A、B對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)更大的軸向位移，表明這個(gè)過程中樁身上部被壓縮，達(dá)到向下最大位移以后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)曲線都出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)期，平臺(tái)期的長(zhǎng)度是隨著節(jié)點(diǎn)離樁頂距離的增大而減小，在這之后各節(jié)點(diǎn)迅速反彈恢復(fù)至零位移，各節(jié)點(diǎn)隨著離樁頂?shù)木嚯x的越大越早恢復(fù)，這是由其位移大小決定的。位于樁身頂部的D、E所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)在恢復(fù)到零點(diǎn)后，繼續(xù)反彈，這是由于它們無上部約束力和較小的側(cè)向約束力，最后保持相同的反彈位移，保持樁頂?shù)倪B續(xù)性。

3.2 軸向應(yīng)力分析

選擇距樁底深度分別為0.0m、5.0m、10.0m、15.0m、20.0m的13#、3577#、7177#、10782#、14377#單元，繪制樁身軸向應(yīng)力時(shí)程曲線，見圖5。

從圖5可以看出，A曲線對(duì)應(yīng)樁底單元，由于假定樁底為固定端，因此樁頂傳來的壓力波經(jīng)反射后仍然為壓力波，且幅值與入射波相同，兩波疊加的結(jié)果使得固定端壓力波幅值加倍。E曲線對(duì)應(yīng)樁頂單元，其應(yīng)力時(shí)程反映出加載的過程，即持續(xù)時(shí)間為1ms的壓力脈沖波。D、C、B曲線對(duì)應(yīng)應(yīng)力波傳播過程中依次將經(jīng)過的樁體單元，可以清晰看出入射波、反射波在計(jì)算時(shí)間內(nèi)重疊又分開的整個(gè)過程。

4 結(jié)論

1）ANSYS/LS-DYNA的非線性動(dòng)力分析可以比較好的模擬脈沖波作用下的應(yīng)力波在樁身的傳播，可以看出樁身不同位置的應(yīng)力和位移變化情況，很好地解決了一系列理論難題，有待進(jìn)一步開發(fā)。

2）通過數(shù)值模擬得到的一些結(jié)論可以為確定樁基設(shè)計(jì)參數(shù)和施工方案提供參考，以確立合理的機(jī)械設(shè)備、最大錘擊力和錘擊頻率，使打樁更加經(jīng)濟(jì)高效和安全可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1] 方治華，程建華.打樁過程的非線性有限元分析[J].內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（2）：184-186.

[2] 龔維明，蔣永生.某海洋平臺(tái)鋼管樁可打性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22（2）：227-230.

[3] 愛德華，威爾遜.結(jié)構(gòu)靜力與動(dòng)力分析[M].北京：中國(guó)建筑出版社，2006.

[4] 尚小江，蘇建宇.ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力分析方法與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006：167.