（岩土工程专业论文）基于abaqus的静力压桩连续贯入数值模拟.pdf

c l a s s i f i e di n d e x t u 4 7 3 1 u d c d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e n g v vv n u m e i u c a ls i m u l a t i o nf o r p i l e c o n t i n u o u s l yp e n a t r a t i o nw i t h a b a q u s c a n d i d a t e s u p e r v i s o r s o f t w a r e z h a n gj i k u n p r o z h a n gm i r i g y i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c a l 哆 d a t eo fo r a ie x a m i n a t i o n u n i v e 峰i 妣 g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g j u n e2 0 l o q i n g 啦ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 基于a b a q u s 的静力压桩连续贯入 数值模拟 学位论文答辩日期 童 指导教师签字 占垡丛垒 答辩委员会成员签字 纠垒季 青岛理工大学工学硕士学位论文 目 摘要 i a b s t r a c t l i 第l 章绪论 1 1 1 序言 l 1 2 静压桩的国内外理论研究现状 2 1 3 桩土共同作用的有限元模拟研究现状 5 1 4 静压桩研究与应用中存在的问题 8 1 5 本文研究的内容 一9 第2 章静压桩沉桩机理及压桩力分析 1 l 2 1 引言 一l l 2 2 静压桩的沉桩机理 l l 2 3 不同土质的沉桩特性 1 2 2 3 1 粘性土中的沉桩 1 2 2 3 2 砂性土中的沉桩 1 3 2 4 层状土地基的沉桩性状 1 3 2 5 用于静压桩沉桩机理分析的几种理论 1 5 2 6 桩 土滑动摩擦的试验研究 1 6 2 6 1 试验研究 17 2 6 2 试验总结 1 9 2 7 本章小结 1 9 第3 章基于a b a q u s 的桩土相互作用机理分析 2 0 3 1 引言 2 0 3 2a b a q u s 软件简介 2 0 3 2 1a b a q u s 程序概述 2 0 3 2 2a b a q u s 基本模块介绍 2l 3 2 3c a e 特征及功能介绍 2 l 3 3a b a q u s 中非线性问题的处理 2 2 3 4a b a q u s 用于岩土工程问题的特殊单元 2 4 3 4 1 岩土介质渗流分析 2 4 3 4 2 地基平衡分析 2 4 3 5 桩一土接触面 2 6 3 5 1 主从接触面选择 2 6 3 5 2 摩擦模型 2 6 3 6a b a q u s 中的修正剑桥 c 锄c i a y 模型 2 7 3 6 1 特点 2 7 3 6 2 修正剑桥模型的公式和参数 2 8 3 6 3 在a b a q u s c a e 中输入修正剑桥模型参数 2 9 3 7 本章小结 31 第4 章静力压桩贯入的有限元模型的技术实现 3 2 4 1 引言 3 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 2a b a q u s 建模的基本假定 3 2 4 3 有限元模型 一3 2 4 3 1 有限元网格的划分 一3 2 4 3 2 桩土接触及约束 3 5 4 3 3 材料定义及土的本构模型选择 3 7 4 3 4 地应力 自重应力 平衡 3 8 4 3 5 基于位移贯入法的边界条件设定 4 0 4 4 静力压桩的连续贯入过程及结果分析 4 1 4 4 1 贯入过程中的应力应变变化和单元挤压变形 4 l 4 4 2 贯入完成后的土体应力和位移分析 4 2 4 4 3 水平挤土位移和应力分析 4 3 4 5 模型分析曲线与实际情况的对比分析 一4 5 4 6 本章小结 一4 7 第5 章静力压桩连续贯入数值模拟工程实例 4 8 5 1 静力压桩实际工程简介 4 8 5 1 1 工程概况 4 8 5 1 2 场地工程地质条件 4 8 5 2 现场试验研究 5 0 5 2 1 工程桩试验研究 5 0 5 2 2 扩大头异型桩试验研究 5 2 5 3 数值模拟的模型简介 5 4 5 3 1 有限元模型的桩 土选型 一5 4 5 3 2 分层土体的地应力平衡 5 5 5 4 数值模拟的后处理及结论分析 5 7 5 4 1 静力压桩连续贯入的结果输出及后处理 5 7 5 4 2 引入标贯实验锤击数对数值模拟过程中特殊土层的修正 5 9 5 4 3 使用有限元模型调参对模拟结果的二次修正 6 l 5 4 4 加入d r u c k e r p r a g e r 模型细化土体本构关系 6 3 5 4 5 修正后的桩侧摩阻力与实测值对比 6 9 5 4 6 数值模拟与实际工程的比较分析 7 0 5 5 本章小结 7 l 第6 章结论与建议 7 3 6 1 研究结果总结 7 3 6 2 进一步研究的建议 7 4 参考文献 7 6 攻读学位期间学术论文发表及科研情况 7 9 致谢 8 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 随着我国经济建设的发展 现代土木工程对地基基础提出了越来越高的要求 桩基础由于承载力高 稳定性好 沉降量少而且均匀 沉降速率低且收敛快等特 性 在基础工程体系中得到广泛应用 发展至今 静压桩以其无噪声 无污染 无振动 施工速度快 节约材料和质量可靠等优点获得了广大工程建设者的青睐 并得到了大规模的推广使用 成为目前我国工业与民用建筑中 特别是软土地基 上的各类建筑中广泛采用的桩型之一 本文以理论分析为基础 使用大型通用有 限元软件a b a q u s 进行静力压桩连续贯入过程的模拟 并利用此模型对某实际 压桩工程进行数值模拟 研究其侧摩阻力与深度之间的变化 本文的主要工作如 下 1 深入研究了静力压桩的沉桩性状 分别探讨了在粘性土和砂土两种不同 土体中静压桩贯入过程中的端阻和侧阻变化 并在此基础上 研究了粘性土层中 有细中砂夹层时的沉桩性状 2 介绍了大型通用有限元软件a b a q u s 并结合此软件在处理大变形 非线性上的独特优势 选用最能反映土体弹塑性本构关系的修正剑桥模型 建立 静压桩连续贯入土体的有限元模型 并在有限元计算后 研究其水平挤土效应和 应力 位移变化 3 根据太原某静压桩试验结果 利用上述有限元模型方法 建立与实际工 况相符合的有限元模型 分析在有中细砂夹层的粘性土体中 桩连续贯入的侧摩 阻力 并将预测值与实测值进行对比分析 4 通过对有限元模型预测值与实测值的研究 再结合实际沉桩过程中的桩 土共同作用分析 进一步改进有限元模型的不足之处 通过修正土的物理 力学 参数 引入标贯击数调整桩土摩擦系数和对中细砂层使用不同于其他土层的邓肯 张塑性本构关系三项措施 调整有限元模型 达到理想的模拟效果 关键词 静压桩 沉桩性状 连续贯入 a b a q u s 侧摩阻力 a b s t r ac t a st h ed e v e l o p i n go fo u re c o n o m i cc o n s t 八l c t i o n t h em o d e mc i v i le n g i n e e r i n gp u t f o n a r dh i 曲e rr e q u i r e m e n t so ft h ef o u n d a t i o n p i l ef o u n d a t i o ns o o nb e c a m eo n eo f t h em o d e mf o u n d a t i o ne n g i n e e r i n gs y s t e mb e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e so fh i 曲b e a r i n g c a p a c i t y w e l ls 协i l i t y s m a l la n du n i f o 肌s e t t l e m e n t l o ws e t t l e m e n tr a t e 凤t c o n v e 唱e n c e 锄ds oo n n o wj a c k e dp i l eh a sg o tt h ef a v o ro fm o s tb u i l d e rw i t hn o n o i s e n op o l l u t i o n n ov i b r a t i o n h i 曲c o n s t l l j c t i o ns p e e d s a v i n gm a t e r i a l s r e l i a b l e q u a l i t y a n dh a sb e e nu s e do fl 鹕e s c a l e b e c o m i n go n eo ft h ew i d e l yu s e dp i l et p e s i nt l l ei n d u s t r i a la l l dc i v i lb u i l d i n g se s p e c i a l l yi nt h es o rs o i la r e a 1 1 1 i sp a p e ri sb a s e d o nt h e o r ys t u d y u s i n gl a 唱eu n i v e r s a if i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s t 0s i m u l a t et h e p e n e 仃a t i o np 赋e s so f j a c k e dp i l e a n dp u tm i sm o d e lt oar e a lp e n e t l t i o ne n g i n e e r i n g f o ran u m e r i c a ls i m u l a t i o nt os t u d ym ec h a n g i n gb e t w e e nt h es h 世衔c t i o na n dt h e d e p t h 1 m a k em r t h e rs t u d yo ft h ec h 2 u r a c t e r so ft h e p i l ep e n e t m t i o n d i s c u s s i n gt h e v 撕a t i o no f t i pa n ds h a rr e s i s 切n c ei nt h ec l a ya n ds a n dd 嘣n gt h ep e n e t r a t i o n p r o c e s s a n do nm i sb a s i s s t u d yt h ep r o p e r t i e so fp i l ed r i v i n gi nc l a yw h e r et h e r ei sa s a n 1 w i c ho ff i n es a n d 2 i n n d d u c et h ef i n i t ee l e m e n ts o r w a u r ea b a q u s a n dc o m b i n i n g 诵t hi t s a d v a n t a g eo nt h ed e a l i n gw i t hi a 唱ed e f o 册a t i o na n dn o n l i n e a fp r o b l e m s u s i n g c a m c i a yp l a s t i cm o d e lw h i c hc a nb e s tp e r f i o mt h er e a lf e a t u r e so ft h es o i i t ob u i l d t h em o d e lo f p i l ep e n e t r a t i o n a n dt h e ns t u d yt h eh o r i z o n t a is o i lc o m p a c t i o ne 肫c ta n d t h ev 撕a t i o no fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ta r e rs u b m i n i n gt h ej o ba n dc a l c u l a t e db yt h e c o m p u t e r 3 a c c o r d i n gt ot h et e s to f j a c k e dp i l ei n1 a i y u a n u s i n gt h em e t h o da b o v et o b u i l dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h er e a l e n g i n e e r i n g m a k ea n a l y s i so ft h es h a f t r e s i s t a n c ed u r i n gp i l ep e n e t r a t i o ni n t h ec l a yw i t hs a n d w i c ho ff i n es a n d a n dm e n c o m p a r et h er e s u i t sw i t ht h et e s tv a l u e 4 t h r o u g ht h es t u d yo ft h ed i f f e r e n c eb e t v e e nt h em o d e lv a l u ea n dt h et e s t i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 v a l u e a n dc o m b i n i n gt h ea n a i y s i so ft h ep i l e s o i li n t e r a c t i o nt 0 i m p r 0 v et h e s h o n c o m i n g so ft l ei n f i n i t ee l e m e n tm o d e b y 锄e n d i n gs o i lp h y s i c a lp a r a m e t e r s c o n s u i t i n gb l o wc o u n t so ft h es t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s tt om o d i f yt h ep i l e s o i l 衔c t i o n c o e m c i e n ta n dl e a d i n gi n t od r u c k e 卜p r a g e rm o d e lf o rt h e6 n es a n dl a y e rd i 能r e n t f o n no t h e rl a y e r sw i t hc a m c l a ym o d e l w em a k ec o r r e s p o n d i n ga d j u s t m e n t st ot h e f i n i t ee l e m e n tm o d e la 芏l df i n a l l yg e tt h ea p p r o p r i a t ep r e d i c t i o nv a i u e k 叼刑o r d s j a c k e dp i l e p e n e t r a t i o nm e c h a n i s m c o n t i n u o u s l yp e n e t m t i o n a b a q u s s h a r 衔c t i o n i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 序言 第1 章绪论 随着我国经济建设的发展 现代土木工程对地基基础提出了越来越高的要求 桩基础以其承载力高 稳定性好 沉降量少而均匀 沉降速率低且收敛快等特性 成为现代化基础工程体系之一i l 桩基础历史悠久 最早使用的桩距今至少已有一 万多年的历史 可追溯到新石器时代 我国发现最早的木桩也有7 0 0 0 多年的历史 发展至今 静压桩以其无噪声 无污染 无振动 施工速度快 节约材料和质量可 靠等优点获得了广大工程建设者的青睐 并得到了大规模的推广使用 成为目前我 国工业与民用建筑中 特别是软土地基上的各类建筑中广泛采用的桩型之一 静压 桩是一种被广泛应用的桩基础类型 借助专用桩架的自重和配重作为反力 以卷扬 机滑轮组或电动油泵液压方式将压力作用于预制桩 分节将桩身压入地基土中的一 种施工工艺 图1 1 为青岛某静压桩工程现场场景 图卜1 青岛某静压桩工程现场 按照桩身形状的不同静压预制桩可分为管桩和方桩 按照压桩位置的不同静力压 桩方法又可分为中压式和前压式 按压桩方式的不同分为抱压式和顶压式 相比其它桩基施工工艺 静压桩具有以下优点 1 施工时无噪声 无振动 污染低 适合于在市区以及对噪音 振动等有特 青岛理工大学工学硕士学位论文 殊要求的地区进行施工 2 施工速度快 质量有保证 静压桩一般为预制而成 使用前的检测可提高 桩身质量的可靠性 且沉桩过程使用静压力 减少了对桩身的破坏 同时提高了施工 效率 3 成本相对较低 静压桩压入施工时不像打桩那样在桩身产生动应力 减小 了对桩的破坏力 可适当的减少配筋率和降低对桩身的强度要求 节约钢材和水泥 在一定程度上可降低造价 一般而言 静压桩单方混凝土的传力比灌注桩高1 6 2 0 倍 4 沉桩过程可显示压桩力 可定量的观察到整个压桩过程 为设计和施工提 供参数 并在某种程度上使隐蔽工程明朗化 确保施工质量 5 静力压入桩相比打入桩更适合于岩溶地区施工 且前者的送桩深度远远大 于后者 6 接桩方便 效率高 在深厚软土地区优势明显 7 施工文明 场地清洁 机械化施工程度高 安全性好 1 2 静压桩的国内外理论研究现状 对静压桩性状的研究开始于2 0 世纪7 0 年代 常用的研究理论和方法有口 极限承 载力理论 孔穴扩张理论 应变路径法 此外还有模型试验研究方法以及原位测试法 理论研究涉及的问题大多集中在静力压桩过程中的挤土效应 时间效应 侧阻退化效 应以及静力压桩承载力的确定方面 1 极限承载力理论 u l t i m a t eb e 撕n gc 印a c 时 极限承载力理论是最早应用于贯入方面研究的方法 该理论将贯入过程视为土体 极限破坏的问题 将贯入阻力看作是深层土体中基础的极限承载力 研究中 此理论 又可细分为极限平衡法和滑移线理论 虽然解答只是近似解 但由于其方法简单 所 以在土力学中应用广泛 图1 2 是研究者们进行推导时假设滑动面的不同形式 青岛理工大学工学硕士学位论文 i1 吣i 4 一一l r 0 v 弋一 t e l l r a g l l i 1 9 4 3 f 乃 吩l 们41 险k 一 勿 巧力口t 口一一l 蘸 籼 m a y e r h o f 1 9 5 3 4 l 口 4 l 一 k e e p e a 珥x e 一 1 9 6 1 v p e s i c 1 9 6 3 图1 2 假设滑动面的不同形式 2 圆孔扩张理论 c a v 时e x p a n s i o nm e t l l o d 圆孔扩张理论包括柱形孔扩张及球形孔扩张 b i s h o p e t 1 9 4 5 3 1 通过试验观察 发现孔穴扩张与静力触探有很大相似性 首次将圆孔扩张理论应用于静力触探的研 究 经典的圆孔扩张法假设土体是理想弹塑性体 材料服从1 r e s c a 或m o h r c o u l o m b 屈服准则 根据弹塑性理论给出无限土体内具有初始半径的柱形孔或球形孔 被均 匀分布的内压力尸所扩张的一般解 由于桩体贯入时 一定深度处的土体逐渐出现 半径为桩径的孔洞 周围一定范围土体进入塑性状态 因此 一般采用柱形孔扩张 来模拟除去靠近桩尖以外的土体的变形情况 b 硼e 币l e de ta 1 1 9 6 8 4 1 提出用平面应变条件下的柱形孔扩张来解决桩体贯 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 入问题 v e s i c 1 9 7 2 5 采用相关流动法则的m o n c o u l o m b 屈服准则 给出了理想弹 塑性圆孔扩张问题的基本解 并于1 9 7 7 年将其用于了深基础承载力方面的研究 r a n d o l p h 1 9 7 9 6 j 利用柱形孔扩张理论以及平面轴对称模型 将桩的贯入过 程看作圆柱形孔的不排水扩张过程 假设压桩完成时桩周土体进入剑桥模型临界状 态 从而推导出了有效应力计算公式 并认为沉桩过程中土体引起的超孔隙水压力 的消散是通过水流的径向流动 在此基础上计算分析了孔隙水压力消散的规律 并 给出了超孔隙水压力消散后桩的极限承载力 c a t e r 1 9 8 6 7 采用非相关流动法则的m o h r c o u l o m b 屈服准则 并考虑了塑 性区的大变形 得到了圆孔从零半径扩张到有限半径的极限应力解 接着圆孔扩张 理论在屈服面模型 本构关系 大小应变及数值解方面都取得了较大的进展 s a g a s e t a 1 9 8 7 8 为了解决地表面无约束的情况 利用源与汇的相互作用得到 了地表面的位移解 c h o w 1 9 9 0 利用圆孔扩张法把沉桩过程看作一个准静态过程 从而求得了 沉桩过程中的位移场 经典的圆孔扩张法存在的问题是 将平面应变轴对称的圆孔扩张解应用于桩体 贯入这样一个三维轴对称问题 忽略了各变量在竖向上的变化 另外忽略了桩的连 续稳态贯入过程 与事实不符 也很难考虑土体分层对贯入的影响 以上一些学者 在经典理论的基础上进行了改进 使其更加符合桩的贯入特征 此理论在此后不断 修正的过程中应用会更加广泛 3 应变路径法 s t r a i np a t hm e t h o d 1 9 8 0 年前后 美国麻省理工学院的b a l i 曲教授等人经过近1 0 年的研究 提 出了应变路径法 应变路径法的特点是 将土体视为无粘性不可压缩流体 贯入过 程看作是土体均速流过锥尖或桩尖的过程 在不考虑本构关系的情况下 通过理想 流体的无旋转流动估算土的变形对速度积分求得变形 然后由微分求出应变 通过 对应变路径的描述 得出桩体贯入工程中上体位移和应变的变化情况 利用估算出 的应变 采用符合实际情况的土体本构模型 并满足平衡条件 就可以计算出近似 的应力和超孔隙水压力 t i t i 1 9 9 7 对饱和软粘土中桩的承载力随时间增加的问 题进行了分析 最后得到的数值与实测结果吻合得较好 同圆孔扩张法相比 应变路径法有以下两方面的优点 一方面可以考虑竖向贯 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 入过程中 土体变形与竖向坐标的关系 另一方面可以考虑匀速贯入的连续性 所 以 b a l i 曲等人的研究有其独到之处 它可以给出贯入过程中土体应力 位移分布 的大致情况 但是 应变路径法也有不足之处 它忽略了桩土的接触面效应以及土 单元的旋转 且计算烦琐 建议与有限单元法配合使用 4 模型试验研究 t e s tr e s e a r c h d a v e 肌i t e 91 0 1 博士近年来在平面应变试验箱以及离心机上进行了静压桩模型 试验 他在f r i c t i o nf a t i g u eo nd i s p l a c e m e n tp i l ei ns a i l d 以及d i s p l a c e m e n ta j l ds t r a i n p a t h sd u 血gp l a n e s t r a i nm o d e lp i l ei n s t a l l a t i o ni ns a n d 等文章中 动念地观测到了模 型桩沉桩时的位移场等 研究了土的种类及初始密度对其的影响 提出了桩端和 桩侧摩阻力分布的预测 竖向拱线理论 对砂土中的静压桩机理进行了探讨 刘祖德等提出了显微镜跟踪法 并应用于模型试验中 陈文采用离心模型试验 将试验桩压入到粘土中 发现在桩身部分区域土体的 侧向变形有随深度的增加而增大的趋势 模型试验可以较好的模拟实际的工程情况 可以更直观的反映贯入后的土体变 形情况 采用模型试验可以得到一些定性的结论 但由于模型尺寸按比例缩小和边 界类型等一系列的原因 所得结果与现场实测值之间的差别将十分显著 因此应根 据实际情况对试验数据进行修正 5 原位测试法 利用现场勘察实验提供原位土的力学指标来估算桩的承载力的方法 桩侧阻力 会通过测试的各种参数来确定 原位测试运用最普遍的方法有 静力触探试验 c p t 标准贯人试验 s p t 旁压试验 1 3 桩土共同作用的有限元模拟研究现状 随着计算机技术的发展 有限单元法 f i n i t ee l e m e n tm e t l l o d 己被广泛地应用 于桩基分析研究中 桩体贯入的有限单元法可分为小应变模型和大应变模型两种方 式 小应变模型 在小应变分析中 假设土体中存在直径较小的圆柱孔 周围 土体处于初始应力状态 然后进行增量的塑性破坏计算 并假定破坏荷载等于贯入 阻力 该过程与实际状态是有差别的 桩孔的扩张是通过桩与土的相互作用来实现 的 而不是施加一个径向位移边界条件就可实现的 桩的贯入在桩侧将产生很大的 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 侧向应力 实际阻力比小应变结果要大的多 静力贯入问题的小变形研究首先由b o r s t 和v e n n e 给出 g r i m t h s 对具有光滑 表面的贯入仪阻力进行了分析 鲁祖统 1 9 9 8 l l 对静压桩问题进行了研究 并对静压桩的挤土效应进行了数 值模拟 陈文 1 9 9 9 1 2 采用d e s a i 接触面单元和基于圆孔扩张理论的空f 日j 轴对称 有限元对静压桩过程进行了模拟 周健等 2 0 0 0 1 1 3 1 采用有限元方法 把桩的压入 过程分成段 再自上而下分段扩张到桩径来模拟桩的贯入 得到了一些关于沉桩挤 土效应和超孔隙水压力分布的成果 大应变模型 此方法又可分为力贯入法和位移贯入法 在以往的分析中 尤其是经典的圆孔扩张法中 一般均基于小变形假设 但事实上 在桩体贯入过程 中应变很大 靠近桩周的土体中应变可达l o 2 0 呈现出材料与几何双重非线 性 这时用小变形假设显然不合理 而采用大变形有限元则有可能克服上述缺陷 c h o p m 认为用经典有限单元法分析荷载作用下的土的行为时 土体中只产小 变形的假设对于压桩问题不合适 这时桩周土体的变形不是小变形 该区域内的应 变与位移梯度不成线性关系 必须考虑构形的变化修改平衡方程 在此基础上 采 用有限单元u l 算法进行了沉桩问题的研究 将沉桩过程模拟成桩尖土的逐渐裂开 过程 求出了沉桩瞬时和固结后的孔隙水压力场和有效应力场 c h o p r a 采用的模 拟沉桩过程的方法不足之处在于没有考虑桩与土之间可能发生的滑动 此外 对桩 头锥面上土颗粒的运动方向的确定不合理 m a b s o u t 采用了应力贯入来模拟沉桩过程 沉桩过程用摩擦接触滑移线法模 拟 考虑了土体的非线性问题 采用了边界面模型 分析过程采用了u p d a t el a g r a g i a i l 方法描述大变形 b a l l e i i e e 和f a t h a l l a h 推导出了一套欧拉方程 通过应力变化率和应变变化率之 间的关系 采用有限元计算得出沉桩过程中的应力和孔隙水应力 s 像o r a 等同样在 假设大变形的拉格朗日方程基础上 用时间积分的方法得出有限元解答 鼬o u s i s 在前者研究的基础上进行了改进 张明义 2 0 0 3 1 6 提出了位移贯入法 采用有限元法模拟静压桩连续贯入的整 个过程 借助于有限元a n s y s 分析软件 结合非线性大变形 弹塑性 接触面等 计算技术 在不同深度上分段贯入 很好的模拟计算了静压桩的沉桩阻力 谢永利 开展了土体固结大变形的研究 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 鲁祖统建立了空间轴对称问题考虑大变形和弹塑性耦合的有限元方程和采用 修正l g r a g i a n 算法的表达式 应用虚功原理推导了空间轴对称问题采用l g r a g i a l l 格 式的b i o t 固结有限元方程 并对单桩压入饱和粘性土中的桩和土体进行了研究 鹿群 龚晓南等 2 0 0 7 f 1 7 1 通过位移贯入法使用a n s y s 大型通用有限元软件 为工具 在更全面的模拟静力压桩的同时 采用了d 1 1 j c k e r p r a g e r 模型作为土的弹 塑性本构关系 桩土界面采用面 面摩擦接触单元 接触面的摩擦类型为库伦摩擦并 且考虑了土体自重应力场的影响 在模拟过程中通过改变系数 研究了桩土间摩擦 系数 不同桩土模量比以及土体泊松比对土体位移的影响 a b a q u s 在桩土问题中的应用现状 刘仲秋 章青 束加庆 1 8 总结了商业软件a b a q u s 在获得平衡地应力场方 面的几种方法及其优缺点 然后利用该功能 在考虑岩体弹塑性本构模型情况下 采用线性回归和改进的b p 神经网络相结合的方法反演了基于测点数据的某区域的 初始应力场 结果表明 其反演精度可满足工程要求 并可反演边界条件以外的其 他参数 朱向荣 王金昌 1 9 1 介绍了a b a q u s 软件中部分土本构模型 包括扩展 d 1 1 l c k e r p r a g e r 模型和m o h r c o u l o m b 模型 探讨了二者的关系及扩展d r u c k e r p r a g e r 模型的适用性 通过分析得出了当内摩擦角 2 2 时 不能采用d t l l c k e r p r a g e r 模型 逼近m o n c o u l o m b 模型 当内摩擦角 2 2 时则可以代替 并介绍了服从弹性库 仑摩擦本构模型的三结点接触单元 以筒桩工程实例为算例 分析了筒桩内外侧摩 阻力发挥性状 给出了荷载沉降计算曲线 并与实测曲线进行了对比 二者吻合较 好 说明了有限单元法的有效性 易念平 崔鹏 姜铁军 牛义昌 2 0 采用a b a q u s 有限元软件模拟土体受到竖 向荷载直至破坏的极限状态 分析得出地基的极限承载力 并把得出的极限承载力 与由魏锡克公式得出的结果进行对比 土体采用改良的d r u c k e r p m g e r 模型进行模 拟 范庆来 栾茂田 杨庆在 利用大型有限元软件a b a q u s 所提供的用户材料 子程序u m a t 接口 针对修正的剑桥本构模型开发了隐式积分算法 并且与自动 选择时间步长的增量有限元方程迭代解法相结合 对正常固结土与超固结土的三轴 排水与不排水试验进行了数值模拟 结果表明 所发展的隐式本构积分算法与时间 步长自动选择方法具有较好的稳定性和较高的计算精度 能够得到比较合理的数值 青岛理工大学工学硕士学位论文 分析结果 任艳荣 刘玉标 顾小芸 2 2 采用a b a q u s 软件处理管土相互作用中的接触面 问题 利用a b a q u s 软件中的主控一从属接触算法 使管道和海床形成一个接触 对 并且建立了管土系统有限单元 徐远杰 王观琪 李健 唐碧华 2 3 1 介绍了a b a q u s 中开发d u n c a n c h a n g 材料 本构模型实现方法 给出了开发过程的概要 完成了两个典型常规三轴压缩模型问 题数值测试 结果表明 在a b a q u s 中增加d u n c a n c h a n g 材料本构模型后 不仅 可以充分地利用该软件强大的非线性求解平台 而且还有可能完成复杂土工应力应 变的有限元数值分析问题 同时 具有计算速度快 计算精度高和前后处理快捷方 便的优点 极大地降低了土工分析程序开发的难度 并减少了维护工作量 陈晶 高峰 沈晓明 2 0 0 6 2 4 1 用a b a q u s 软件模拟桩土相互作用中的接触问 题 利用a b a q u s 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 s h e n g d a ic h a o k d i e t e re i g e n b r o d p e t e rw r i g g e r s 2 0 0 5 2 5 在f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so fp i l ei n s t a l l a t i o nu s i n gl a r g e s l i p 衔c t i o n a lc o n t a c t 中将桩体设置为刚体 土体采用修正剑桥模型 桩土接触面采用u p d a t e d l a g r a n g i a nf i n i t ee l e m e n t f o n i l u l a t i o n 修正的拉格朗日有限元方程 来解模型的大应变问题 在模型提交 计算后 得出了庄周土体的水平应力 侧向应力以及桩的总受力和桩侧摩阻力 的数值和图像 并且通过与实测的比较 发现模型所得数据与实际数据差距的 主要原因是模型的桩尖效应和土体本构关系选择所造成的 k a t n a f i s c h e r d a i c h a o s h e n g a n d r e w j a b b o 2 0 0 7 2 6 在上述论文发表后 又探讨了桩尖效应的问题 并利用新的方法 s m o o t hc o m e r 修改了桩尖部分的模 型和网格划分 并与之前的模型 s h 唧c o m e r 曲线对比 得到了圆滑的响应曲线 较好的解决了桩尖效应的问题 1 4 静压桩研究与应用中存在的问题 目前对静压桩研究较多 但大多都集中在静压桩的挤土效应方面 对其他方面 的研究较少且远远落后于工程实际应用 在研究和实际应用中主要存在以下 些问 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 题 需要进一步的探讨和研究 1 静力压桩全过程的研究 目i j i 对静力压桩的研究较多 但都大多集中在静力压桩的挤土效应方面 另有 一些对侧阻退化效应 时间效应等问题的研究 但是 将静力压桩的诸多效应整合 起来 对桩连续贯入全过程的研究还未曾有过 2 有限元对静力压桩连续贯入的模拟问题 近些年 随着计算机技术的发展 数值模拟方法大量被用在桩土共同作用的研 究上 比较常用的软件有a n s y s f l a c p l a x i s 等 但上述软件在土的本构模 型选择以及对压桩过程中土体的大变形的模拟上还有很大的局限性 a b a q u s 作为 近些年比较成功的大型通用有限元软件 在岩土的大变形问题上有得天独厚的优 势 这也使得更好的模拟静力压桩的全过程成为可能 3 静力压桩全过程的模拟及其实用性的问题 目前许多对静力压桩的模拟仅停留在对静压桩某段过程或某个效应的局限性 研究上 基本不具有实际应用价值 本文拟在对静力压桩的全过程实现数值模拟的 计算机阶段后 着力于实现与实际工程的对接 同过与实际工程结果的对比参照 调整 修改模型参数 解决对实际问题的数值模拟问题 使本论文的研究具有一定 的实际意义 为勘察 设计 施工提供重要的参考 1 5 本文研究的内容 1 深入研究了静力压桩的沉桩性状 分别探讨了在粘性土和砂土两种不同 土体中静压桩贯入过程中的端阻和侧阻变化 并在此基础上 研究了粘性土层中有 细中砂夹层时的沉桩性状 2 使用大型通用有限元软件a b a q u s 对静力压桩全过程的连续贯入进行数 值模拟 着重体现桩的不间断连续贯入过程 以及其贯入过程中的应力 应变变化 及桩周土体的变化 通过大量的数值模拟 得出适合模拟静力压桩全过程的模型 包括几何模型 土体参数选择 截面选择 接触面参数控制 弹塑性模型选择 网 格单元选择等技术层面的问题 3 利用a b a q u s 的模型进一步研究静力压桩全过程的几个关键问题 包括 水平挤土效应 径向应力随土层深度变化曲线等 利用a b a q u s 软件强大的后处 理功能对静力压桩贯入过程进行理论分析 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 利用上述a b a q u s 模型对山西太原的静力压桩实验进行数值模拟 并与 扩大头异型桩实验得到的侧摩阻力随深度变化的嗌线进行比对 进一步修改模型参 数 调整模型结构 创新的引进使用标贯实验锤击数修正有限元桩土摩擦系数的方 法以及首次在一块分层土体中使用2 种不同的土体塑性本构关系 解决土层差异较 大的问题 修正了土体材料的物理 力学指标 加强了数值模拟的精确性 以便用 于同后的静力压桩工程分析 为设计 施工 科研提供参考和依据 l o 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章静压桩沉桩机理及压桩力分析 静压桩在压桩力的作用下向下贯入土层 桩端下土体首先产生弹性压缩变形 随着压桩力的增大 当桩端处土体受力超过其抗剪强度时 发生剧烈变形直至达到 极限破坏 这种破坏和扰动会随着桩体的贯入而不断向下传递 使桩周一定范围内 的土体形成塑性区 从而使桩身得以贯入 随着桩体的贯入 桩身与桩周土体之间 产生摩擦力 某一固定深度处的桩侧摩阻力不是一程不变的 随着桩体贯入深度的 增加会有不同幅度的减小 称为桩侧阻力的 退化效应 同时 桩的极限侧摩阻 力在支承较强的桩端附近得到提高 这一现象被称为桩侧摩阻力的 强化效应 静压法沉桩过程中受到的阻力并不是静态阻力 但也不同于锤击法沉桩时的动 态阻力 通常认为沉桩阻力由桩端阻力和桩侧摩阻力构成 沉桩阻力的大小和变化 规律受土质情况 贯入深度 桩体特征 桩距 桩数 施工情况等多种因素的影响 沉桩阻力不是随着桩体入土深度的增加而无限增大的 在同一土层中下沉时 当贯 入深度超过一定深度后将不再增加 沉桩阻力将趋于某一定值 称之为 深度效应 当桩穿透较硬土层进入软土层时 沉桩阻力将随着桩身入土深度的增加明显减少 主要是桩尖阻力的急剧下降所致 在沉桩过程中 在冲剪挤压作用下土体中将产生超孔隙水压力 尤其在低渗透性 的饱和软土中 产生的超孔隙水压力是非常高的 桩侧超静孔隙水压力在平面上随径 向距离基本按对数衰减 在深度上近似呈线性增长 成桩后随休止期的延长孔隙水压 力将逐渐消散 消散的速度与土的灵敏度 固结系数以及桩身尺寸等关系密切 进行静压桩沉桩机理研究的意义主要体现在以下几个方面 1 沉桩机理理论为静压桩其他相关分析研究提供理论基础和研究平台 2 通过机理的研究 掌握贯入过程中桩端阻力和桩侧阻力的分布和变化规律 建立适合不同地质情况的沉桩阻力估算公式 更好的指导工程施工 3 以贯入机理为基础进行挤土效应的深入研究 明确桩基施工给周围建筑物和 环境带来的影响 2 2 静压桩的沉桩机理 青岛理工大学工学硕士学位论文 当预制桩在静压作用下贯入土层时 桩周会受到剧烈的挤压 桩尖首先直接使 土产生冲剪破坏 孔隙水受此冲剪挤压作用形成不均匀水头 产生急剧上升的超孔 隙水压力 扰动土体结构 这种破坏和扰动随着桩的贯入会连续不断地向下传递 使桩周一定范围内的土体形成塑性区 从而很容易使桩身继续贯入 桩的阻力大部 分来自桩尖向下穿透土层时直接冲挤桩端土体的端阻力 其余来自桩侧的滑动摩擦 力 压桩阻力并不一定随桩的入土深度的增加而累计增大 而是会随着桩尖处土体 的软硬程度不同等因素变化波动 沉桩完成后 随着时间的推移 桩周土体中孔隙 水压力逐渐消散 土体发生固结 土的抗剪强度及侧摩擦力逐步恢复和提高 从而 使工程桩获得较大的承载力 静压法沉桩过程中 地基土体受到重塑扰动 桩贯入时所受到的土体阻力并不 是静态阻力 但也不同于锤击法沉桩时的动态阻力 一般假设桩是匀速的贯入 压桩力等于沉桩阻力 沉桩阻力的大小和变化规律 受地质条件 贯入深度 截面尺寸 桩距 桩型及桩土间的相互作用等诸多因素影 响 一般沉桩阻力随贯入深度的增加而增加 通常认为沉桩阻力由端阻力和桩侧摩 阻力构成 2 7 2 9 1 相同土层的端阻力随深度的增加而增加 超过一定深度 临界深度 后就不再增加 桩侧阻力受桩土间接触压力和摩擦角影响 一般认为侧摩阻力符合 库仑摩擦定律 端阻力和侧阻力的变化规律不同 端阻力和侧摩阻力占沉桩阻力的 比例也随贯入深度的变化而变化 对于端承桩或端承摩擦桩来讲 当桩穿越较硬土 层进入较软土层后 尽管贯入深度增加 但是由于桩端阻力减小 沉桩阻力会相应 减小 静压桩在同一软黏土层中下沉时 当桩的入土深度达到某一定值后 沉桩阻 力将逐渐趋向常值 不再随桩的入土深度的增加而增大 同一深度处土体对桩身提 供的侧摩阻力并不是不变的 而是随着沉桩过程的发展而逐渐减小 2 3 不同土质的沉桩特性 2 3 1 粘性土中的沉桩 粘性土中沉桩时 由于粘性土渗透系数小 沉桩引起的超孔隙水压力来不及消 敖 土体在不排水状态下受剪破坏 扰动破坏了粘性土原有的结构性 使土体强度 降低 桩的贯入使桩周黏性土产生塑性流动 引起表层土体的隆起和深部土体的径 向位移 桩尖穿越不同土层时沉桩阻力会发生突变 在穿越相同土层时 沉桩阻力 青岛理工大学工学硕士学位论文 变化较小 压桩后随着时间的推移 由于土的时效性及固结效应使土体强度提高 桩侧摩阻力有较大增长 单桩承载力显著提耐3 0 2 3 2 砂性土中的沉桩 在砂性土中沉桩时 由于其渗透系数较大 沉桩引起的超孔隙水压力很快消散 土体在排水状态下受剪破坏 沉桩对土体强度产生两种效应 强化效应和松弛效应 对于松砂和中密砂 贯入使土体受到扰动并挤密 同时引起超孔隙水压力 在透水 性较好的砂层中 孔隙水压力很快消散引起有效应力迅速增大 使砂性土的强度得 到提高 另一方面 挤密作用也使砂性土的强度得到提高 压桩结束后 随着砂层 中化合物的凝结以及粒问胶结的建立 桩的极限承载力会进一步提高 这是强化效 应 当压入土层的桩达到一定数量后 土体有了较高的相对密实度 并在土层中积 累了相当大的横向有效应力 随着压入砂性土中的桩的数量的增加 土层在剪切变 形过程中会产生松弛 并出现剪胀 产生负的孔隙水压力 负孔隙水压力随时间消 散而使有效应力