基于gts对单桩静载试验的有限元模拟分析

1、合肥 工 业 大 学 学 报第 32 卷 第 2 期2009 年 2 月( 自 然 科 学 版 )Vol. 32 No. 2 Feb. 2009J OU RNAL OF H EFEI UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY基于 GTS 对单桩静载试验的有模拟分析1彦12李天宝2,(1. 合肥工业大学 土木与水利合肥省建设工程勘察设计院,合肥 230001),230009 ; 2 .摘 要 :文章采用有对单桩极限承载力静载试验进行分析;该采用 Drucker2Prager 模型确定土体本构,在桩土之间设置 Goodman 接触单元;结合合肥地区的工程实例 ,利用 GTS 有分析

2、工具 ,建立有模型 ,进行了基桩静载试验的数值模拟。结果表明 ,通过合理地设定计算参数 ,基桩静载试验的 Q2s 曲线实测值和计算值吻合较好。分析结果对于深刻理解桩土相互作用的机理有重要的意义 ,为确定单桩极限承载力开辟了新的思路。:有法; 单桩极限承载力; 静载试验; Drucker2Prager 模型号 : TU 47311文献标识码 :A文章编号 :100325060 (2009) 0220234204Finite element simulation and analysis of staticload testing of singlepiles based on GTSQ IAN

3、De2ling1 ,ZHAN G Wen2yan1 ,CAO Guang2xuan2 ,L I Tian2bao2(1. School of Civil Engineering , Hefei University of Technology , Hefei 230009 ,; 2 . Anhui Provincial Institute of Survey and De2sign for Construction Engineering , Hefei 230001 ,)Abstract :In t his paper ,t he vertical ultimate bearing capa

4、city of single piles is st udied by using FEM.Based on one example in Hefei ,t he static load testing of single piles is simulated by using GTS. TheDrucker2Prager mis adopted to simulate t he constit utive relation of soils. The interaction betweent he pile and soil is simulated wit h t he Goo dman

5、contact element . It is concluded t hat t he met hod is pre2 cise. The analysis result is of important reference value to pile and soil simulation and design.Key words :finite element method ( FEM) ; vertical ultimate bearing capacity of a single pile ; static loadtesting ; Drucker2Prager m多年来 ,人们对桩

6、土之间的作用力传递机理和特点进行了大量有效的实测研究和理论分析 ,但还很不深入 ,虽然单桩承载力公式很多 ,但计算桩的极限承载力开辟了新的思路 ,同时对深刻理解桩土相互作用的机理也有重要的意义。1桩同作用的数值模拟结果与实测值相差很大 ,根本还是承载力公本文采用 GTS 有土而开发的一款专业,该是岩式中对桩侧摩阻力发挥的实质和特点反映不够。,具有强大的前处理和随着计算机的发展 ,有在桩同作用分析后处理功能 ,计算精度高 ,能够满足数值模拟的要求。11 1土体本构模型在本文数值模拟中 ,对土体采用了 Drucker2 Prager 模型( D2P 模型) ,该模型能较准确地反应岩土体作为摩擦材料

7、的基本特性 1 。D2P 模中得到了愈来愈多的应用。本文利用有GTS ,将桩和土均划分为三维实体单元 ,并在桩土交界面设置接触单元 ,考虑了土的非线性和大应变 ,以合肥地区无扩大头的人工挖孔灌注桩的静载试验为基础进行了数值模拟 , 得出了单桩的Q2s 曲线和单桩与土的共同作用特点 ,为确定单收稿日期 :2008203231 ;修改日期 :2008205213作者简介 :(1956 - ) ,女,安庆人,博士,合肥工业大学教授,生导师.第 2 期,等:基于 GTS 对单桩静载试验的有模拟分析235型采用 Druckel2Prager 屈服准则,此屈服准则是触行为 3 ,4 。Goo dman 单

8、元是 Goo dman 于 20 世纪 70 年代提出无厚度四节点接触面单元 , 且被广泛采用。接触面上的法向应力和剪应力与法向相对位移和切向相对位移之间无交叉影响 , 则剪应对 Mohr2Coulumb 屈服准则给予近似 , Von Mises 屈服准则 ,即 Von Mises 表了中一个附加项 ,其屈服面并不随着材料的逐渐屈服而改变 ,因此没有强化准则; 塑性行为被为理为 5 :想弹塑性;其屈服强度随着侧限(静水应力相对位移的表ns力) 的增加而增加; 另外 ,该模型考虑了由于屈服而引起的体积膨胀,但不考虑温度变化的影响 2 。0kskn0= D。=对于D2P 材料 ,其受压屈服强度大拉

9、屈受压其中 ,n 、s 分别为法向和切向相对位移;、分服强度。如果已知受拉屈服应力和别为法向和切向应力; D 为刚度矩阵; kn 、ks分别屈服应力 ,则内摩擦角和粘聚表示为:为接触面法向刚度系数与剪切刚度系数 , 其中 ks可由直剪试验 , 按2s 双曲线模型拟合确定 , kn取值与两节点单元一样 , 在接触面拉开时 , 取一很小值 , 否则取一很大值。3 3= y3 (3 - sin) 。 = sin- 1, C6co s2 + 3 - ;y = 2;为内摩c tc t其中 ,=3 (c +t )3 (c +t )擦角; C 为粘聚力。对于D2P 材料 , 其等效应力的表为 :1/ 2 1

10、T32 S MS=m +e其中 ,m= (x+y +z ) / 3 , 为平均应力或静水压力; S 为偏差应力;为材料常数; M 为 Mises 屈服准则中的 M。图 1 Drucker2Prager 屈服面和 Mohr2Coulomb 屈服面2工程实例及结果分析21 1工程概况合肥某工程位于胜利路与凤阳路交叉口的西以上屈服准则是一种经过的 Mises 屈服准则 , 它考虑了静水应力分量的影响 , 静水应力(侧限) 越高 , 则屈服强度就越大。材料常数的表= 2sin / 为 :3 (3 - sin) ,南侧 ,场地内共拟建 5 栋物 , 1 栋为屈服准则的表为 :33 层 ,其他几栋为 29

11、 层 ,裙楼 4 层 ,框筒结构 ,总面积约 17 × 104 m2 。计算数据采用该工程的 S1 # 试桩 ,该试桩采用无扩大头的人工挖孔灌注桩 ,桩长 32 m ,桩径900 mm ,以第 4 层中风化细砂岩为桩端持力层 , 采用单桩竖向抗压静载试验以确定其极限承载力。该区地貌单元为南淝河一级阶地后缘。根据试桩场地的土性指标实验 ,土层的分层情况和计算参数见表 1 所列。y= 6 Cco s/ 3 (3 - sin) ,最后屈服准则的表为 : 1F = 3+ 1/ 2 S M S - T= 0 。2my对于D2P 材料 , 当材料参数、y给定后 , 屈2库仑服面为一圆锥面 , 此

12、圆锥面是六边形的屈服面的外切锥面 , 如图 1 所示。11 2桩2土界面接触问题本文采用 Goo dman 单元来模拟三维桩2土接 表 1 地基土及桩的基本参数密度/ ( kg · m - 3)变形模量/ kPa内摩擦角/ (°)膨胀角/ (°)土层编号土层名称厚度/ m泊松比粘聚力/ k Pa161 061 041 001 3001 3501 3001 281234粘土粉土中细砂1 06032128000001 7501 9002 6002 150中风化细砂岩61 0000合肥工业大学学报(自然科学版)第 32 卷23621 2有21 21 1有桩及桩轴对称模型

13、建模采用轴对称模型 ,根据对称性 ,取力 ,因堆载的吨位很大 ,千斤顶上方的钢梁产生较明显的挠度 ,以至于千斤顶未加压 ,位移计未记数时 ,试桩已被施压 ,桩顶已产生小量位移 ,随着桩顶施加荷载的加大 ,这种误差的影响也就越来越小了。在竖向抗压静载荷试验中 ,当 S1 # 试桩加荷至最大加荷值 14 000 kN 时, 桩顶累计沉降为431 99 mm ,在加载范围内 Q2s 曲线为缓变型曲线 ,根据文献 7 中直径大于 800 mm 的桩 ,可取沉降量 s = 01 05 D ( D 为桩端直径) 对应的荷载值为单桩竖向极限承载力的规定 ,取 14 000 kN 为该试桩的竖向极限承载力。在

14、数值模拟中 ,当 S1 # 试桩加荷至最大加荷值 14 000 kN 时 ,桩顶累计沉降为 441 42 mm ,在加载范围内 Q2s 曲线为缓变型曲线 ,根据文献 7 规定取 14 000 kN 为该试桩的竖向极限承载力。由此可知 ,数值模拟为确定单桩的极限承载力开的 1/ 4 进行分析 ,考虑桩桩端土层的影响范围 ,土层水平范围取 20 m ,土层深度取桩顶下 2 倍桩长 ,即为 64 m ; 由于土体自重产生的变形在桩施工前已经完成 ,计算时不计入自重应力 6 。土体和桩体均采用三维实体单元 ,桩2 土接触面采用 Goo dman 单元 , 计算模型如图 2 所示。辟了新的思路 ,提供了

15、一种新的。试桩在最大加荷值 14 000 kN 作用下的竖向和水平位移变形图如图 4 所示 ,由图 4 可知 ,在加载过程中土体不仅在竖向方向产生明显的位移 , 水平方向也会产生较明显的位移 ,影响范围较广。图 2 计算模型21 2. 2结果分析基桩竖向抗压静载荷试验是依据规范规定 , 通过测试试桩在不同荷载作用下的桩顶沉降变形来分析和评价基桩竖向极限承载力。测试桩进行逐级加荷 ,至 2 倍的承载力设计值 ,并分析试桩在每级加荷时的桩顶沉降数据。S1 # 试桩的静载荷试验过程依据文献 7 和设计的要求进行。利用 GTS 对试桩分级加载这一过程(a) 竖向( b) 水平方向进行模拟 ,并分析每一

16、级荷载下的桩顶位移。图 4 最大加荷值作用下的变形云图试桩的试验和计算的 Q2s 曲线如图 3 所示。试桩在最大加荷值 14 000 kN 作用下的最大主应力和最小主应力云图 ,如图 5 所示。图 3 试验和计算 Q2s 曲线(a) 最大主应力( b) 最小主应力图 5 试桩最大加荷值作用下的主应力云图由图 3 可知 , GTS 很好地模拟了试桩的静载分级加载过程 ,只是计算值比试验值略微大一点 , 这是因为试桩在静载试验时 ,是用堆载提供的反荷载的传递曲线如图 6 所示 ,由图 6 可知在极限荷载即 14 000 kN 作用下 ,侧阻分担的荷载第 2 期,等:基于 GTS 对单桩静载试验的有

17、模拟分析237比很大 ,为 Qs / Qu = 80 % ,说明在嵌岩桩中侧阻对极限承载力的贡献很大 ,这也符合文献 8 ,9 中关于嵌岩桩侧阻分担荷载比的描述。结束语在 GTS 中采用 D2P 模型和设置 Goo dman 接触单元对基桩静载试验进行模拟 ,通过正确的定义桩土参数调节收敛 ,得到与试验相吻合的模拟结果 ,说明接触单元能较好地模拟桩土相互作用 ,较好地反映桩土间作用力的传递规律 ,是有效、可行的。模拟结果安全可靠 ,可以用来指导设计 ,这不但为该地区土层参数确定提供借鉴 ,为以后该地区在无基桩静载试验条件下确定基桩极限承载力提供了一个切实可行的办法。3不同土层中摩阻力与截面位移

18、所示。,如图 7由图 7 可知 ,摩阻力的发挥与桩土相对位移成正比,随着桩土之间相对位移量的增加 ,摩阻力从线性变化到非线性 ,最后达到极限值。土层 1 和 4 在极限荷载作用下 ,摩阻力充分发挥 ,而2 、3 土层摩阻力并未完全发挥 ,仍处于弹塑阶段; 中风化细砂岩层的摩阻力远远大于其他层的摩阻力。 参考文献 1 徐 燕,佴 磊. 单桩不同加载条件下有模拟及侧摩阻力分析J . 煤田地质与勘探,2007 ,35 (3) :55 - 58. 2 江见鲸,机械工业,等. 有法及其应用 M .,2006 :101 - 104 .: 3 齐,简浩,. 引入接触单元模拟桩同作用J . 岩土力学,2005 ,26 (1) :127 - 130. 4 毛坚强. 接触问题的一种有解法及其在岩土工程中的