基于ABAQUS 軟件的靜壓鋼板樁有限元模擬分析

李宇航

（廣東工業大學，廣東 廣州510006）

1 概述

樁基礎是一種對土質環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，隨著國家經濟的高速發展及城鎮化步伐的加快，極大促進了鋼板樁在我國的發展和應用。鋼板樁作為一種現代基礎與地下工程領域的重要工程建設的施工材料，可滿足傳統水利、土木道路交通工程、環境污染整治及突發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勢逐漸顯現出來。目前，眾多學者對靜壓樁的沉樁機理進行了數值模擬研究，如張吉坤等[2]用ABAQUS 軟件建立了靜壓樁連續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律。郝友超[3]利用ABAQUS 數值模擬軟件，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，實現了模型樁在砂土內連續貫入的數值仿真。辛翀[4]利用ABAQUS 軟件對某工程靜壓樁進行了數值分析，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場實驗數據，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，樁土計算參數見表1。

模擬時首先要對土體進行地應力平衡，消除位移產生的影響。為此，需要在軟件的分析步模塊創建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，劃分樁土的網格，對于土體采用模型，網格結構采用50520個單元，單元類型為八節點線性歐拉六面體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

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。具體參數替換方法參照文獻[7]所述，替換后的DP4、DP5、DP6 計算參數如表2 所示。

表2 替換后的D-P 模型計算參數

3.2 不同屈服準則下的沉樁阻力隨沉樁深度的變化規律

根據替換后的材料參數，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 中可發現，樁體在下沉的過程中，在下沉0-1m 范圍內沉樁阻力迅速增大，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增加，樁體在單一土層中沉樁阻力逐漸穩定。

通過對比不用屈服準則對沉樁阻力的影響發現，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出先增大后趨于穩定的趨勢，最大沉樁阻力在66kN 左右，穩定后的沉樁阻力在50kN 左右。進而說明該方法能夠適用于模擬樁土作用，為樁土數值計算打開了新思路。針對不同本構模型對沉樁阻力產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。