基于Abaqus的湿陷性黄土地区复合桩基承载性能分析

摘要： 湿陷性黄土在我国西部地区分布广泛，伴随着西部大开发战略的实施和重要基础设施的不断兴建，长短复合桩基在该地区得到广泛应用.用Abaqus分析一种长短复合桩基的承载性能.在桩基所承受的竖向载荷不变的情况下，逐步加大桩基所承受的横向载荷，得到承台的横向位移变化情况.分别改变桩长、桩径、桩距和桩土弹性模量比等参数，进行多工况分析.最后给出Abaqus针对该问题的加速性能测试结果.

关键词： 湿陷性黄土； 复合桩基； DruckerPrager模型； 有限元； Abaqus

中图分类号： TU473.1； TB115.1文献标志码： B

引言

湿陷性黄土在我国西部地区分布广泛，伴随着国家西部大开发战略的实施和铁路、桥梁等一系列重要基础设施的不断修建，长短复合桩基在该地区得到越来越广泛的应用.

Abaqus是国际上最先进的大型通用有限元软件[1]之一，其非线性力学分析功能较其他有限元分析软件具有明显优势，其对岩土工程问题具有较强的适用性.本文以有限元法[2]为基础，以Abaqus软件为工具，分析一种长短复合桩基在不同载荷下的横向位移变化情况，并且通过修改几何参数和土体弹性模量，进行多工况分析，最后给出Abaqus软件针对本文问题的加速性能测试结果.

1分析步骤

1.1建立有限元模型

几何模型示意见图1.分析该问题的几何模型、载荷、材料和边界条件等可知，本文问题可以作为对称问题进行处理，因此图1只取模型的一半.土体的尺寸为60 m×60 m×52 m，其中，湿陷性黄土的厚度为5.5 m，非湿陷性黄土的厚度为46.5 m.

长短复合桩基的初始几何参数见表1，承台的几何尺寸为14 m×14 m×2 m，并且在分析中保持不变.土体利用Abaqus提供的Extended DruckerPrager模型进行模拟，桩体按各向同性线弹性模型考虑，材料参数见表2.

表 1长短复合桩基的初始几何参数m长桩长度长桩桩径短桩长度短桩桩径桩距2611712.5

表 2材料参数名称湿陷性黄土非湿陷性黄土桩体和承台黏聚力/kPa14.910内摩擦角/（°）23.733.2剪胀角/（°）00弹性模量/MPa203030 000泊松比0.380.370.167容重/（kN/m3）15.818.125本文分析使用的单元类型为C3D8R.为保证土体能顺利划分为六面体单元，将土体分为湿陷性黄土，非湿陷性黄土1，非湿陷性黄土2和非湿陷性黄土3等共4部分，各部分之间利用Constraint模块里的Tie功能建立接触关系.土体的单元尺寸大小为1 m，桩体的单元尺寸大小为0.2 m.在获取初始地应力阶段，桩体与土体之间利用Constraint模块里的Tie功能建立接触关系，在后续分析阶段，桩体与土体之间利用Interaction模块里的Surface to Surface功能建立接触关系，并设置为有限滑动，且摩擦因数为0.3.桩体与承台间利用Constraint模块里的Tie功能建立接触关系.

在土体的外表面约束所有节点，沿着土体外表面法向的移动自由度约束土体底面所有节点的所有移动自由度，同时在对称面上施加对称边界条件.[34]承台上表面所承受的恒定竖向载荷为400 kN，按均布力分布在承台上表面.承台所受的横向载荷也按照均布力施加在承台侧面.有限元模型见图2.

图 2有限元模型

1.2获取初始地应力

与其他类型的分析不同，土体在分析开始阶段的应力不为0，而是存在初始地应力.因此，在正式分析开始前，应当首先获取初始地应力；然后在正式分析时，读取该初始地应力.每种工况下，只需进行一次获取初始地应力的分析.

对于获取初始地应力的分析，将桩体和承台的材料属性指定为占土体比重较大的非湿陷性黄土的属性.考虑到桩体和承台的结构，设置为非湿陷性黄土的属性将有可能产生收敛困难，因此，将其密度设为0.由于桩体所占体积与整个土体的体积相比很小，因此，这样处理带来的误差是可以接受的.除施加重力载荷外，不再施加其他任何外载荷，边界条件及接触关系的处理与第1.1节中所述的一致.

1.3分析步设置

施加初始地应力时，在Region选项里指定只读取土体部分的初始地应力，而不读取桩体以及承台的初始应力；同时，将桩体及承台的密度和其他材料属性全部改为表2所列的值.在Initial分析步里施加所有边界条件，并指定所有接触关系，在Initial分析步之后加入一个Geostatic分析步，并且在该分析步内只有重力载荷，以便初始地应力与重力载荷能良好地平衡.

在Geostatic分析步之后，再指定8个Static分析步，由于第1.1节中的最大横向载荷为400 kN，因此，相邻2个Static分析步之间的载荷相差50 kN.在每个分析步内，都打开几何非线性选项，并且开启自动时间步功能，将初始时间步定为0.1，最大时间步为1，最小时间步为1E5，最大步数为100.

2桩基的承载性能分析

2.1不同载荷作用下的横向位移

本文分析的求解过程在国家超级计算济南中心的商用节点上完成.求解结束后，提取结果文件，并进行后处理.

在不同横向载荷作用下，距离横向载荷施加面最近的桩，其桩体顶部横向位移最大，且横向载荷方向的位移值要远大于与之垂直方向 （同一平面内）的位移值.因此，后处理过程中只统计横向载荷方向的位移值.不同载荷作用下桩体顶部的最大横向位移见表3，横向载荷为400 kN时的竖向变形云图见图3.

2.2多工况分析

完成全部分析后，利用Abaqus软件完成另外几种工况的分析工作.在以下几个工况的分析中，虽然分析模型的某些关键参数发生变化，但按照前面已经确定的分析步骤，分析仍能顺利进行，反映Abaqus软件强大的非线性分析能力和对多工况问题的良好适应能力.

在其他几何参数保持不变的情况下，在原长桩桩长26 m的基础上，再增加2种长桩桩长，分别为24和20 m.修改几何模型后导入Abaqus再次进行前处理，网格尺寸、接触关系和边界条件等都与前面的分析一致，并且分析步骤也一致，即首先获取初始地应力，然后在分析开始时导入该初始地应力.横向载荷为300 kN并保持不变，且也以50 kN为间隔划分分析步.不同桩长条件下桩体顶部的最大横向位移见表4.

3并行加速性能测试

本文分析在国家超级计算济南中心的商用节点上完成，测试Abaqus的并行加速性能，横向载荷为140 kN并保持不变.测试结果见表8，可知Abaqus软件对本文问题表现出良好的并行加速性能，其中，当核数为96时的加速性能最优.

4结束语

利用Abaqus完成某复合桩基的承载性能分析.通过改变载荷、几何参数和弹性模量等参数，进行多工况分析.本文分析反映Abaqus软件强大的岩土问题分析能力和对多工况问题的良好适应能力.参考文献：

[1]BATHE K J. Finite element procedures[M]. Englewood Cliffs： Prentice hall， 1996.

[2]王勖成. 有限单元法[M]. 北京： 清华大学出版社， 2003.

[3]费康， 张建伟. Abaqus在岩土工程中的应用[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2010.

[4]沈新普. Abaqus在能源工程中的算例和应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2010.