基于ABAQUS的桩土相互作用分析.pdf

《基于ABAQUS的桩土相互作用分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、502第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集基于ABAQUS的桩土相互作用分析12121袁志林，陈祥余，段梦兰，李记忠，王国栋（1.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300452）摘要：采用ABAQUS有限元软件对水平载荷下的导管架平台桩土之间的相互作用进行了分析，重点研究不同载荷下的桩基横向承载力和水平位移之间的关系，通过计算得到水平载荷下的p-y曲线，并将计算结果与API规范计算结果进行对比。结果表明，说明采用该软件进行桩土作用分析是可行的，计算结果可为导管架平台的桩基设计提够参考。关键词：ABAQUS；

2、桩土相互作用；p-y曲线；桩基；API规范导管架平台的桩基不仅承受巨大的轴向载荷，而且还要承受由于环境载荷在泥面附近引起的水平力和最大弯矩，桩基水平承载力的计算方法主要有三种，分别是弹性分析法、复合地基反力法和数值计算法，[1]目前应用较广的是基于复合地基反力法的p-y曲线理论，由于p-y曲线法如实地放映了土的非弹性性质及自泥面开始的进行性破坏现象，因此导管架平台桩基设计中采用此法最为合适，也是工程中普遍接受的一种方法，但确定准确的p-y曲线需要大量的现场和实际数据，这给实际应用带来的很大困难。鉴于此，采用有限元软件ABAQUS，对横向载荷作用下的桩土作用进行了三维数

3、值模拟，该法能综合[2]考虑地基上的不均匀性、非线性、各向异性等特征等各种复杂因素，将分析结果与API规范结果进行对比分析，结果表明该方法能够确定较可靠的p-y曲线。1有限元模型ABAQUS的接触模拟中，要在模型中的各个构件上建立表面，并建立接触对，采用主－从（Master－Slave）接触算法。选择主、从表面的原则是：从属表面的网格划分更加精细,若网格密度相近，应选择较柔软的材料表面为从属表面。这里选择土体表面为从属表面，如在几何模型上，用大尺寸来模拟半无限空间体，计算时土体半径远大于桩横截面的半径（如土体半径取为桩横截面半径的40～60倍）。模型建立中，桩体和土体

4、采用C3D8R单元，桩体纵筋采用T3D3单元模拟。桩-土接触采用摩尔-库伦摩擦罚函数形式。边界条件为：模型底部固定约束，模型外侧径向的位移约束见图1。分析过程分三步进行，第一步进行初始地应力的平衡，由于桩体和土体的重度不一样，首先采用假定桩体重度和土体重度一样；然后通过第二步加上桩体和土体实际重度之间的差值；第三步采用表面载荷形式[3]施加水平力。图1有限元模型2实例分析根据JZ-20-2导管架平台相似模型试验资料，来定义有限元分析中的分析模型,计算中，土参数的选取对于计算结果有很大的影响，而土的非线性和多样性，使得土参数的确定存在很多问题。因此在特定条件下，对土进行

5、有限元分析时，土的参数一般通过试验确定。砂土的内摩擦角φ及弹性模量Es是分析桩土相互作用p-y关系的两个关键参数。其中，砂土的内摩擦角决为定土层的水平极限抗力，可以通过土性试验确定，而土的弹性模量决定p-y曲线为初始线性段的斜率，这里通过对桩土相互作用试验结果的反推法确定。实际海洋工程中桩基的材料一般为钢材，其刚度远远大于土的刚度。由于桩与土的刚度差异较大，可能会在计算中导致刚度矩阵产生奇异，计算收敛困难，因此，在以下的有限元计算中，桩模型采用了等效抗弯刚度方法，即根据实际为桩的材料属性及尺寸，保持其抗弯刚度和桩径不变，适当增加壁厚，相应[4]减小桩为的弹性模量。计算

6、实践表明，这种做法既可以有效地提高收敛速度，又可以使桩为体本身单元的性态得到优化。计算中假设土体为饱和不排水的，且桩在受力过程中不与土体分离，同时采用荷载控制法逐步施加载荷，确定相应位移量。模型桩和土层参数如表1-2所示.表1土层参数-3名称泊松比密度/kg·m饱和度压缩模量/MPa孔隙比摩擦角软黏土0.492000100%160.74第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集503表2模型桩参数-3桩长/m外径/m壁厚/m密度/kg·m泊松比弹性模量/MPa1.60.040.00712000.3530003计算结果与分析按照单桩的模型试验加载方式，在有限元计算中，同

7、样施加14N、28N、42N、56N、70N横向静载，根据计算结果得到不同载荷下的弯矩分布曲线如图2所示。图2等载荷加载下桩身弯矩分布曲线3.1桩变形分析当作用于桩身的力为水平力时，桩身的变形主要为水平向的挠曲，桩土的破坏模式为水平荷载控制的破坏模式，即：随着桩身水平位移的不断增大，土体的抗力逐渐发挥。通过研究认为：当在桩头附近施加水平荷载时，浅层的土体由于强度低，首先达到塑性破坏，进而桩身挠曲不断向深处发展，造成深处土体[5]不断受到桩的水平向挤压，逐渐发挥出土体的水平抗力。根据图2可以看出桩身的弯矩分布规律，载荷越大，桩身弯矩越大，最大弯矩出现的