竖向冲击荷载作用下基桩响应有限元模拟分析

期刊: 环球科学 2023年第14期 DOI: PDF下载

叶生洋1 张冬2

（浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州 310002）

摘要

基于ABAQUS有限元分析软件，采用岩土塑性本构关系，同时考虑桩与土之间摩擦、阻尼情况，对基桩竖向冲击荷载响应进行动力仿真模拟。竖向冲击波施加后桩顶单元竖向应力也呈现脉冲形状，随着向下传播逐渐减小，由于阻尼作用幅值迅速减小。在约时刻桩底波速第一次达到峰值，在约时刻桩顶速度波重新达到峰值，与一维应力波传递规律非常吻合，即ABAQUS有限元动力分析可以较好的模拟基桩竖向冲击的响应。由于上下行波的叠加桩身靠近中部位置会出现拉应力最大值，且随冲击荷载的幅值及冲击作用时间增大而增大，打桩过程应合理选取冲击荷载幅值及冲击作用时间。


关键词

基桩，竖向冲击荷载，ABAQUS有限元，应力波，拉应力

正文


【Key words】: Pile Foundation, Vertical impulse force, ABAQUS finite element, Stress wave, Maximum tensile stress

0  引言

近年来，随着我国基础设施的快速发展，桩基础在建筑、能源、交通、水利等行业大型工程中大量应用，桩基已经成为我国工程建设中最重要的基础形式之一。基桩在静、动荷载作用下的承载力及响应情况，不仅关系到工程本身的安全和效益，还关系到人民生命财产的安全，因此对基桩在荷载作用下力学性能的研究分析具有十分重大的意义。竖向冲击荷载是最常见桩基荷载之一，本文基于ABAQUS有限元分析软件，分析了桩基在竖向冲击荷载下动力响应问题，对于桩基动力检测、动力打桩等有一定指导意义。

1  土体的动力有限元分析法

竖向冲击荷载作用下基桩会产生动力响应，其中包含土体的动力响应，土体动力有限元分析法在考虑静力作用的同时，仍需要考虑动荷载、惯性力和阻尼力的作用。土体动力学方程采用Biot动力固结方程[1~2]。

动力模拟分析过程中，土体塑性模型选取屈服面子午线为线性的Druker-Prager模型[3]。接触面之间[4]的相互作用包含两个部分：接触面的法向作用和接触面的切向作用，同时考虑阻尼力。桩基动力检测或打桩过程是通过在桩顶施加一个瞬时冲量[5-6]来实现的。在本文的计算模型中，用时程荷载函数来模拟瞬时动力荷载。

2  工程算例建模及分析

2.1.1计算建模的建立

工程实例：钻孔混凝土浇筑桩，桩长L=15.5m、直径D=0.5m、密度Kg/m3、弹性模量Ep=20GPa、泊松比vp=0.2；土体为均质粘土Kg/m3、弹性模量Es=10MPa、泊松比vs=0.35；粘聚力力c=15KPa、摩擦角=25o。本文取对称结构一半建模，采用CAX4R，桩69个单元，土912个单元，桩设置阻尼系数为0.358、为0.001，单元计算具体模型如下图2-1。

分析过程中设置两个分析步：第一个分析步为GEOSTATIC分析步用以平衡地应力，模拟最初桩与土的应力情况。第二个分析步为DYNAMIC分析步用以计算，在冲击荷载作用下桩、土的响应情况。即在第一步添加重力荷载，第二步在桩顶添加脉冲荷载峰值为1800KN，作用时间0.001s（波形如下图2-2所示）。同时设置桩侧与土摩擦系数为0.42阻尼系数为0.5。

    

2.1.3计算结果分析

1）初始状态下桩、土竖向应力分布、如图2-3所示；整个响应过程桩顶最大位移约为6mm，此时桩的承载力已经充分激发最大，桩、土竖向应力图如2-4所示。

       

图2-1初始状态桩、土竖向应力S22分布        图2-2最大位移时刻桩、土应力分布

3）竖向冲击荷载作用下响应情况

桩顶单元、桩底单元速度与时间曲线及桩顶单元竖向应力与时间曲线如图2-5所示。由可知桩波速约为3163m/s，则为4.9ms。由图可知，在约时刻桩底部第一次达到峰值而在约时刻桩顶速度波重新达到峰值，这与一维应力波传递规律非常吻合。同时桩顶最大速度为0.55m/s传至桩底部时最大速度降低为0.3m/s，可知这个过程中发生了较大的能量消耗，桩的阻尼起了很大作用。桩顶单元竖向应力消散很快，在7.64ms时刻出现最大拉应力大小为86KPa。

 

图2-3 桩顶、桩底速度变化曲线、桩顶应力变化曲线

4）竖向冲击荷载下桩基拉应力情况及影响分析

        

图2-4 冲击荷载幅值大小对桩拉应力影响  图2-5冲击时间对桩拉应力影响

由于桩端及桩侧摩阻力的作用向下传播的应力波会产生反射，这过程中上下行波叠加，在桩身某些部位会产生拉应力，对混凝土材料而言，不宜受过大拉应力。由图2-6、2-7可知桩身最大拉应力位于桩深7m处，约为桩长一半处，且随冲击荷载幅值、时间增大而增大。

3  小结

（1）基桩在桩顶处，施加一个脉冲荷载，桩身会产生应力波并沿着桩身传播。若荷载足够大，则桩顶产生一定的位移，桩身产生相当高的应变，而桩的承载力也能够充分的激发，充分的理解这一个过程可以为基桩承载力研究提供很好的依据。

（2）竖向冲击波施加后桩顶单元竖向应力也呈现脉冲形状，随着向下传播逐渐减小，由于阻尼作用幅值迅速减小。在约时刻桩底部第一次达到峰值，在约时刻桩顶速度波重新达到峰值，与一维应力波传递规律非常吻合。即有限元可以较好的模拟基桩竖向冲击的响应。

（3）由于上、下行波的叠加桩身中部位置会出现拉应力最大值，在具体工程项目中应充分考虑桩在打桩过程中产生由拉应力引起的断桩情况。即应合理确定冲击荷载的幅值。

参考文献

[1]谢康和，周健．岩土工程有限元分析理论与应用[M]．北京：科学出版社，2002．

[2]中国振动工程学会土动力学专业委员会．土动力学工程应用实例与分析[M]．北京：中国建筑工业出版社，1998．

[3]杨强，陈新，周维垣等．基于DP准则的三维弹塑性有限元增量计算的有效算法[J]．2002．

[4]许宏发,王斌．桩土接触面力学参数取值研究[J]．河海大学学报:自然科学版，2001，29(B12): 54-56．

[5]陈波．土-桩基-结构动力相互作刚体系的模拟及分析[D]．上海：同济大学,土木工程学院，2002．

[6]王宏志．冲击荷载作用下桩的纵向和横向动力响应．博士学位论文．浙江大学，2001．


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