第３２卷第３期 河北工程大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１５ ２０１５年０９月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） 文章编号：１６７３—９４６９（２０１５）０３—００５１—０４ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—９４６９．２０１５．０３．０１２ 基于ＡＢＡＱＵＳ软件的单桩静载试验数值模拟 高鲁超，叶生洋 （河海大学力学与材料学院，江苏南京２１００９８） 摘要：为了分析桩基极限承载力分布传递规律以及研究提高承载力的影响因素，利用ＡＢＡＵＱＳ 有限元分析软件并结合实际工程勘察资料，选择合适的桩土力学参数，对单桩静载试验进行数 值模拟。其模拟结果表明：通过合理的选择桩土力学参数，模拟得到的Ｑ—Ｓ曲线与现场实测 值基本吻合，说明利用ＡＢＡＱＵＳ有限元分析软件模拟单桩静载试验是可行的。同时分析桩土 之间不同摩擦系数 对承载力的影响情况，摩擦系数 值对提高单桩极限承载能力是有利的。 因此，摩擦型桩基极限承栽力主要靠桩侧摩阻力从桩顶传递到桩端；轴向力传递自上而下逐渐 减少；桩土相互作用变化也是提高桩极限承载力的手段。 关键词：单桩极限承载力；ＡＢＡＱＵＳ；摩擦系数 ；Ｑ—ｓ曲线 中图分类号：ＴＵ４７３．１ 文献标识码：Ａ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｐｉｌｅ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＢＡＱＵＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＧＡＯ Ｌｕ—ｃｈａｏ，ＹＥ Ｓｈｅｎｇ—ｙａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊａｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｌｅ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｆａｃｔｏｒｓ，ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＢＡＱＵＳ ｉｓ ｕｓｅｄ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｏｆ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｏｆ ｐｉｌｅ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐａｒａｍｅ— ｔｅｒｓ ｉｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｓｕｉｔａｂｌｙ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｉｌｅ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｈｏｉｃｅ ｐｉｌｅ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｉｍｕｌａ－ ｔｉｏｎ Ｑ～Ｓ ｃｕｒｖｅｓ ａｎｄ ｆｉｌｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅｓ ａｒｅ ｗｅｌ１．Ｔｈｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ＡＢＡＱＵＳ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌ－ ｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｐｉｌｅ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｌｎｅ ｔｉｍｅ，ｉｔ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉｌ ａｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｔｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｉｌｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｅｆｉｆ－ ｃｉｅｎｔ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ＩＸ ｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｍａｉｎｌｙ ｂｙ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｌｅ ｓｉｄｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｉｌｅ ｔｏｐ ｉｓ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｉｌｅ ｅｎｄ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｌｉｍｉｔ ｆｉｃｔｒｉｏｎ ｐｉｌｅ；ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ｔｏｐ ｔｏ ｂｏｔｔｏｍ；ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｐｉｌｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｐｉｌｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｉｌｅ；ＡＢＡＱＵＳ；ｔｈｅ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｏｆ ｆｉｒｃｔｉｏｎ ；Ｑ—Ｓ ｃｕｒｖｅ 桩基础是工程中应用最广泛的一种基础形 随着时代发展，大型有限元软件的问世，利用 有限元软件模拟桩的极限承载力已成为新的潮流 趋势。费康 等介绍ＡＢＡＱＵＳ作为大功能的有限 元分析软件，能够较好分析基桩承载力受力性状， 并且可以做动荷载的检测；朱向荣 一 等提出了 常见土的本构模型及其工程中应用，为模拟土的 变形提供方便；代汝林【５ 等提出岩土工程分析时 式，桩基础质量直接关系整个工程的质量安全。 基础本身就属于隐蔽工程，进行施工时质量就难 以控制，因此桩基检测成为判定桩质量的重要手 段¨Ｊ。检测单桩极限承载力常用方法是通过现场 单桩静载试验进行确定，而该方法具有工程量大、 花费高、工期长等缺点。 收稿日期：２０１５—０４—０２ 作者简介：高鲁超（１９８９一），男，山东菏泽人，硕士，主要从事岩土工程仿真研究。 ５２ 河北工程大学学报（自然科学版） 初始地应力平衡问题，提出了四种平衡方法，每种 式表示为： ＝ｍｉｎ（／ｘｐ， ） （４） 方法都有优缺点；贺嘉 等人从大直径桩人手，分 析了实际工程中大直径桩的承载力性状和桩侧摩 阻力以及桩端阻力承担荷载时的情况；陈晶 则 提出桩土之间需考虑相互作用的影响，ＡＢＡＱＵＳ 可以对桩土作用数值模拟分析，为分析桩的承载 式中：ｒ 为临界剪应力； 为摩擦系数；ｐ为 法向抗压强度； ｒ 用户指定的最大剪应力。 ３工程实例 ３．１工程概况 力传递情况提供了依据。本文根据许多学者研究 经验，选取合适的桩土力学参数，适当的本构模型 和桩土接触面模型，利用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件对 实际工程桩进行数值模拟，结合试验桩现场测得 数据，来确定单桩极限承载力。 １土的弹塑性模型 Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ塑性模型（简称Ｍ—Ｃ模型） 主要适用于在单调载荷下的颗粒材料，在岩土工 程中应用非常广泛 。Ｍ—Ｃ模型屈服准则假定 当土体中任意一点的剪应力达到某个值时发生破 坏，在ｏｒ一一ｒ坐标系中，破坏线如图１所示。 ／ ’． 口３ ｎ ｔ 。ｌ ‘ Ｐｍ 。 图ｌ Ｍ－ｃ破坏模型 Ｆｉｇ．１ Ｍ＿ ｄａｍａｇｅ ｍｏｄｅｌ 因此，Ｍ—ｃ模型屈服函数为： ＝ｃ＋ｏ－ｔａｎ￣ （１） 从摩尔圆可以得出： Ｉ【 ＝ｐ ＋ｑｓｉｎ￣ 。 （２） 将式（１）代人到式（２）中得： ｑ＋ｐ ｓｉｎｑ￣一ｃｃｏｓ￣＝０ （３） 式中：Ｐｍ：华；ｇ： ；。为土的黏聚 力； 为土的内摩擦角。 ２桩一土接触模型 接触面之间的相互作用包含两部分：接触面 的法向作用和切向作用。法向作用采用“硬接 触”，其含义：接触面只有在压紧状态时才能存在 法向压力，若接触面之间有间隙时则不存在法向 压力 ］。切向作用常采用库仑摩擦模型，摩擦公 本工程位于山东省济南市一居民小区，建筑 结构为剪力墙结构，基础形式为复合地基或桩基。 在勘察深度范围内，场地覆盖层主要由第四系全 新统、冲洪和粘性土、砂土、碎石土组成，上覆一定 厚度的杂填土。根据土工试验资料和工程实际经 验确定试桩和各层土的力学参数，见表１和表２： 表１试桩Ｊｓ１力学参数 Ｔａｂ．１ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｅｓｔ ｐｉｌｅｓ Ｓｌ 层厚…／ｍＥ ／ＭＰ ｔＬ／ｘｃ／ｋＰａ ｑ／￣／ｋＮ ￣ｍ一， ②砂土０．７２ ２２ ０．３８ ４０ ２１ １５．２ ③粉土 ３。ｌ ２４ ０．３６ ４２ ２６ １５．２ ④粉砂 ６．３ ２６ ０．３４ ３６ ３１ １５．６ 质５．８８ ２６ ｏ．３５ ４５ ３５ ｌ５．６ 粘土 ３．２ ＡＢＡＱＵＳ有限元计算模型建立 桩土相互作用问题属于平面应变问题，桩土 取轴对称模型，根据经验荷载距桩较远处的影响 可以忽略，该模型计算区域径向取２０ ｄ，竖向取一 倍的桩长。桩身周围主要是粉土和砂土，且内摩 擦角 ＞２２。，故采用Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ塑性模型来 模拟土的变形 Ｊ。桩选用线性的弹性模型，模型 侧面施加水平约束 ，底面施加水平和竖向约束 和 。刚度较大的桩表面为主控制面，刚度较 小的土为从属面。单元类型采用ＣＡＸ４单元，靠 近桩的土体网格较密集，远离桩的土体网格较稀 疏，如图２所示。 ３．３初始应力平衡 达到初始平衡状态条件：平衡前后土体应力数 量级不变，位移一般达到Ｅ一０４数量级可认为初始 河北工程大学学报（自然科学版） ２０１５正 Ⅲ／ 图６侧摩阻力分布图 Ｆｉｇ．６ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍａｐ ｏｆ ｓｉｄｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ 垂 暴 图７轴向力分布图 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍａｐ ｏｆ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ 图８不同摩擦系数下的Ｑ～Ｓ对比 Ｆｉｇ．８ Ｑ～Ｓ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ５结论 １）当无法直接通过现场静载试验确定单桩极 限承载力时，可以结合工程实际勘察资料，利用 ＡＢＡＱＵＳ有限元分析软件数值模拟计算。本文通 过模拟计算结果和实测结果相对比，荷载一沉降 曲线变化规律基本一致，说明用有限单元法来模 拟现场静载试验是可行的。 ２）随着摩擦系数ＩＸ的逐渐增大，桩顶沉降逐 渐减少，当 ＝１时，桩顶Ｑ—Ｓ曲线几乎为一条直 线，显然摩擦系数 可提高桩基的极限承载能力。 ３）摩擦型桩承载力主要靠桩侧摩阻力进行传 递，随着荷载逐渐增大，桩侧摩阻力承担大部分荷 载，在桩端处承担少量荷载；受其影响轴向力也逐 渐减小，在桩身上部较大，下部承受较小的轴力。 参考文献： ［１］刘屠梅，赵竹占，吴慧明．基桩检测技术与实例［Ｍ］．北 京：中国建筑工业出版社，２００６． ［２］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，２００７． ［３］朱向荣，王金昌．ＡＢＡＱＵＳ软件中部分土模型简介及其 工程应用［Ｊ］．岩土力学，２００４（２５）：１４４—１４８． ［４］杨春．基于最小二乘支持向量机岩土本构模型的有限 元分析［Ｊ］．河北工程大学学报：自然科学版，２０１３，３０ （３）：２６—２９． ［５］代汝林，李忠芳，王姣．基于ＡＢＡＱＵＳ的初始地应力平 衡方法研究［Ｊ］．重庆工商大学学报：自然科学版， ２０１２，２９（９）：７６—８１． ［６］贺嘉，陈国兴．基于ＡＢＡＱＵＳ软件的大直径桩承载力 一变形分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００７，３（２）： ３０６—３１０． ［７］陈晶．基于ＡＢＡＱＵＳ的桩土共同作用的数值模拟［Ｊ］． 河南科学，２００９，２７（８）：９７４—９７６． ［８］苑利飞，鹿群，杨海勇．软土地区群桩效应影响因素的 有限元分析［Ｊ］．河北工程大学学报：自然科学版， ２０１３，３０（４）：５０—５３． （责任编辑王利君）
