基于ABAQUS的管桩桩身侧摩阻力分布的数值模拟研究

王雷

摘 要：运用ABAQUS软件，通过现场试验数据验证有限元模型，研究不同地层结构对桩侧摩阻力和承载力性状的影响。通过有效性验证的有限元模型，通过模拟上述三种不同桩径分别对应三种不同地层结构的9种工况，ABAQUS有限元模拟软件在一定程度上能够代替现场试验，能够探究出，管桩在不同地层结构条件下的一般规律。为工程实践提供一定的指导意义。土层中间夹有软弱土层的地层结构，承载能力更低，桩身侧摩阻力更小。相比较土层中间夹有细砂与土层中间夹有带有更大粘聚力的砂质黏性土的地层结构，带有粘聚力的砂质黏性土的地层结构承载能力更好，提供的桩身侧摩阻力更大。

关键词：地层结构;管桩;ABAQUS

0 引言

现阶段已经有非常多的现场试桩的试验数据，也有很多在桩身贴了应力应变片从而进行桩体的内力试验。运用应力应变片可以测得数据并经过换算得到桩身的内力，经过计算可将桩身轴力换算成桩身的侧摩阻力。值得一提的是，这些试验数据的分析目前仅仅停留在求得侧摩阻力分布曲线的层面。也只适用于一般的现场试验结果总结，或者进行数据比对。由于场地、仪器、节省资金等条件，甚至在现场加载时只加载到设计承载力，并没有使桩失效破坏，往往使数据不够完整，不利于理论上的研究。所以，为了能够便于实测数据进行研究，使得不同材料特征和不同地层结构条件以及桩身不同的尺寸大小的分析解读能够反映出哪些影响侧摩阻力取值规律的因素，有需要对现场试验所计算出的侧摩阻力值进行更加深入、尽可能彻底地分析。更进一步的做判断，就是需要对影响侧摩阻力大小的原因做出猜想和判断，才能了解不同土层条件下侧摩阻力受到侧向土压力的影响大小、不同地层结构条件下对桩侧摩阻力发挥趋势变化等一系列信息。笔者将对如何建立上述分析体系、如何完成猜想得到目标结果、如何通过该方法进行研究，进行了系统的研究。

1 PHC管桩的有限元工况选择和参数取值

1.1 PHC管桩有限元模拟工况选择

为研究PHC管桩在不同地层结构条件下和不同桩径条件下对侧摩阻力的影响，根据实际工况1-1设计出其余8种不同工况，分别取桩径0.4 m、0.8 m、1.0 m对于下面三种不同地层结构（如图1所示）对应工况1-2工况1-3工况2-1工况2-2工况2-3工况3-1工况3-2工况3-3进行模拟分析。

1.2 PHC管桩有限元模拟参数选择

通过试算珠海市保税区某工程现场试桩，采用迭代法试算调整获得有限元模拟土层计算参数如表1所示，有限元模拟桩身参数如表2所示。数值模拟数据与实际数据结果较为吻合，故采用此桩土模型模拟可预估管桩承载力，能够对桩基工程进行分析优化。

2 有限元模型分析

根据上述参数进行数值模拟，分别在桩顶施加大小为20 000 kN的竖向荷载，用于求得极限荷载状态下的桩顶荷载-桩顶沉降曲线、轴力曲线、桩侧摩阻力分布曲线、桩身侧压力曲线。各工况如表3所示。

通过模拟计算得出相应工况的应力云图、位移云图。

2.1 PHC桩-土有限元模型Q-S曲线分析

根据桩径为0.4 m的不同地层结构工况Q-S对比所示，可以发现在桩径同为0.4 m时，工况1-1的极限承载力为3 000 kN，所对应的桩顶沉降为98 mm;工况1-2的极限承载力为6 928 kN，所对应桩顶沉降为162 mm;工况1-3的极限承载力为7 240 kN，所对应的桩顶沉降为156 mm。相比较工况1-1，工况1-2极限承载力提升了56.70%，工况1-3极限承载力提升了58.56%。

由此，三种工况第三层土中，淤泥层、细砂层、砂质黏性土层相互置换比较，发现工况1-1（淤泥层）承载能力最差，提供的侧摩阻力最低，且相同桩顶荷载情况下桩顶沉降更大;工况1-3（砂质黏性土）的承载能力比工况1-2（细砂层）的承载能力更好，这是由于砂质黏性土相比细砂拥有一定粘聚力，因此能更好的發挥侧摩阻力。

根据桩径为0.8 m的不同地层结构工况Q-S对比所示，可以发现在桩径同为0.8 m时，工况2-1的极限承载力为6 056 kN，所对应桩顶沉降为150 mm;工况2-2的极限承载力为11 460 kN，所对应的桩顶沉降为211 mm;工况2-3的极限承载力为11 850 kN，所对应桩顶沉降为208 mm。相比较工况2-1，工况2-2极限承载力提升了47.16%，工况2-3极限承载力提升了48.89%。

由此，三种工况第三层土中，淤泥层、细砂层、砂质黏性土层相互置换比较，发现工况2-1（淤泥层）承载能力最差，提供的侧摩阻力最低，且相同桩顶荷载情况下桩顶沉降更大;工况2-3（砂质黏性土）的承载能力比工况2-2（细砂层）的承载能力更好，这是由于砂质黏性土相比细砂拥有一定粘聚力，因此能更好的发挥侧摩阻力。

根据桩径为1.0 m的不同地层结构工况Q-S对比，可以发现在桩径同为1.0 m时，工况3-1的极限承载力为8 000 kN，所对应桩顶沉降为254 mm;工况3-2的极限承载力为14 637 kN，所对应的桩顶沉降为428 mm;工况3-3的极限承载力为15 614 kN，所对应桩顶沉降为417 mm。相比较工况3-1，工况3-2极限承载力提升了45.34%，工况3-3极限承载力提升了48.76%。

由此，三种工况第三层土中，淤泥层、细砂层、砂质黏性土层相互置换比较，发现工况3-1（淤泥层）承载能力最差，提供的侧摩阻力最低，且相同桩顶荷载情况下桩顶沉降更大;工况3-3（砂质黏性土）的承载能力比工况3-2（细砂层）的承载能力更好，这是由于砂质黏性土相比细砂拥有一定粘聚力，因此能更好的发挥侧摩阻力。

根据地层结构1的不同桩径工况Q-S对比，可以发现同为地层结构1时，相比较工况1-1，工况2-1的极限承载力提升了50.46%，工况3-1的极限承载力提升了62.5%。

根据地层结构2的不同桩径工况Q-S对比，可以发现同为地层结构2时，相比较工况1-2，工况2-2的极限承载力提升了39.55%，工况3-2的极限承载力提升了52.67%。

根据地层结构3的不同桩径工况Q-S对比，可以发现同为地层结构3时，相比较工况1-3，工况2-3的极限承载力提升了38.90%，工况3-3的极限承载力提升了53.63%。

由此，地层结构1（淤泥层）时增大桩径比地层结构2（细砂）和地层结构3（砂质黏性土）增大桩径提升的承载能力更多。软土层增大桩径对侧摩阻力的影响更大。

2.2 PHC桩-土有限元模型桩身侧摩阻力分布图分析

根据工况1-1桩身侧摩阻力分布所示，从侧摩阻力分布曲线可见，不同深度地层的侧摩阻力皆随着深度增加而增大，且下部地层滞后于上部地层发挥，10.2 m～11.8 m处由于地层由淤泥变为细砂，地层强度增大，侧摩阻力值突然增大，11.8 m以下地层又变为淤泥，桩侧摩阻力又迅速减小，40.7 m处地层为砂质黏性土，地层强度变大，桩侧摩阻力又急剧升高，48 m处侧摩阻力急剧减小，随桩顶荷载逐渐接近极限荷载，侧摩阻力逐步增到最大，这是由于端部土层破坏迅速刺入持力层，导致的侧摩阻力瞬间变大。在地层结构为弱-强-弱-强多种地层的共同作用下，造就了这种侧摩阻力分布形式。

根據工况1-2桩身侧摩阻力分布所示，从侧摩阻力分布曲线可见，不同深度地层的侧摩阻力皆随着深度增加而增大，且下部地层滞后于上部地层发挥，10.2 m处由于地层由淤泥变为细砂，侧摩阻力显著提升中部略有下降，40.7 m处略有提升中部略有下降，48 m处侧摩阻力急剧减小，随桩顶荷载逐渐接近极限荷载，侧摩阻力逐步增到最大，这是由于端部土层破坏迅速刺入持力层，导致的侧摩阻力瞬间变大。在地层结构为弱-强-强多种地层的共同作用下，造就了这种侧摩阻力分布形式。

根据工况1-3桩身侧摩阻力分布所示，从侧摩阻力分布曲线可见，不同深度地层的侧摩阻力皆随着深度增加而增大，且下部地层滞后于上部地层发挥，10.2 m处由于地层由淤泥变为细砂，从侧摩阻力显著提高，11.8 m处地层变为砂质黏性土侧摩阻力略微提高随后中部略有下降，48 m处侧摩阻力急剧减小，随桩顶荷载逐渐接近极限荷载，侧摩阻力逐步增到最大，这是由于端部土层破坏迅速刺入持力层，导致的侧摩阻力瞬间变大。在地层结构为弱-强-强多种地层的共同作用下，造就了这种侧摩阻力分布形式。

根据对比发现，不同桩径，其桩身侧摩阻力分布曲线规律同工况1-1、工况1-2、工况1-3一致。

3 结论

（1）通过有效性验证的有限元模型，通过模拟上述三种不同桩径分别对应三种不同地层结构的9种工况，ABAQUS有限元模拟软件在一定程度上能够代替现场试验，能够探究出管桩在不同地层结构条件下的一般规律。为工程实践提供一定的指导意义。

（2）土层中间夹有软弱土层的地层结构，承载能力更低，侧摩阻力更小。

（3）相比较土层中间夹有细砂与土层中间夹有带有更大粘聚力的砂质黏性土的地层结构，带有粘聚力的砂质黏性土的地层结构承载能力更好，提供的侧摩阻力更大。

（4）持力层为砂质黏性土时管桩不管桩径如何都为摩擦型管桩，侧摩阻力分布在桩顶荷载接近极限承载力时桩端处侧摩阻力会急增。

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