基于ABAQUS 軟件的靜壓鋼板樁有限元模擬分析

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。