基于ABAQUS的PHC管桩水平受力性能分析

陈毅勇，孙 华，卢笑芳，杨 峰

(福建林业职业技术学院 交通工程系,福建 南平 353000)

许多桥梁桩基在地震或者波浪荷载作用下，桩基础主要是以承受往复荷载为主[1-3]，产生较大的水平变形，并形成塑性变形。而当前许多研究者以针对抗滑桩的研究为主，抗滑桩主要承受的是单向的水平推力荷载[4-6]。针对桩基在水平荷载作用下受力性能的分析方法也有不少研究，但大部分都是在文克尔提出的线弹性地基反力法为主[7-9]，即主要将桩基模拟为二维结构，土体的作用采用弹簧刚度来等效。但是这种分析方法难以反映出土体的受力情形，同时无法直观地反映桩基和土体的相互作用特性，难以真实地反映桩基受力。为此，文中将采用大型通用有限元软件ABAQUS建立PHC管桩-土结构的三维有限元模型，研究埋置于砂土中的PHC管桩在往复位移荷载作用下的受力性能，进一步揭示PHC管桩和土体的破坏现象、滞回和骨架曲线形式、PHC管桩在土体中的变形模式以及桩身弯矩与土抗力分布形式等，研究可为桥梁的不同桩基在土体中的受力分析提供参考。

1 三维PHC管桩-土数值模型

1.1 模型简介

采用大型通用有限元软件ABAQUS对PHC管桩水平承载特性进行数值模拟，具体如图1所示。按空间三维问题对PHC管桩在水平荷载作用下进行分析，桩体和土体采用C3D8R单元，桩体预应力筋和箍筋采用T3D3单元模拟，其中PHC管桩外径150 mm，内径50 mm，长2.8 m，入土深度2.4 m；配置了6根纵筋，钢筋牌号为HRB335，直径为8 mm；箍筋直径6 mm，按100 mm的间距沿管桩布置。桩体混凝土采用塑性损伤模型，钢筋采用理想弹塑性模型，嵌入到混凝土桩中，对于桩周土体采用 Mohr-Coulomb 模型，接触本构模型采用小滑动库仑摩擦模型。ABAQUS的接触模拟中，采用主-从(Master-Slave)接触算法对桩土进行接触模拟，土体表面选择为从属表面，桩体表面为主表面；模型底部固结约束，侧面仅释放2个方向的水平运动；桩底与土体采用绑定约束。计算时土体半径远大于桩截面的半径(如土体半径取为桩横截面半径的40～60倍)。

图1 三维PHC管桩-土有限元模型

1.2 本构关系

有限元模型中，土体采用砂土，砂土本构为Mohr-Coulomb 模型，砂土的材料属性参见表1。

表1 砂土物理力学参数

PHC管桩采用C80混凝土，本构关系为塑性损伤模型(即CDP本构)，其本构计算参考《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[10]，混凝土的力学参数详见表2。

表2 C80混凝土力学参数

钢筋采用的是理想弹塑性模型，其力学参数详见表3。

表3 钢筋力学参数

1.3 地应力平衡

有限元分析加载过程主要分3个步骤，第一步：对初始地应力进行平衡，由于桩体和土体重度不一样，首先要假定两者的重度一致。对地应力平衡是非常重要的，若没有开展第一步骤，后面的第二和第三步骤将难以达到很好的收敛；第二步：加上桩体和土体之间实际重度的差值；第三步：通过表面载荷形式施加往复水平荷载。地应力平衡结果如图2所示，由图2可知平衡后的土体竖向位移很小，最大仅为1.089×10-4m。

(a)土体Mises应力

1.4 加载制度

采用了往复位移加载，位移Y从0开始加载，随后正、负向分别以ΔY=2 mm和-2 mm的位移增量不断加载，直至正、负向的位移Y为18 mm和-18 mm即停止加载，另外PHC管桩的预应力钢筋施加了60 kN的预加力，以模拟PHC管桩在砂土中的受力性能，加载制度如图3所示。

图3 加载制度

2 PHC管桩受力性能分析

2.1 试验现象分析

图4 给出了试验完成后的试验现象及桩身与土体的应力分布。桩基在土体内的应力较大，出现了3处应力较大位置，也是桩身混凝土开裂的位置，在该3处桩基的破坏较为严重，详见图4(a)。同时，对应位置的土体也出现了较大的应力集中区域，桩-土最先在该处进入塑性阶段，在该位置桩-土相互作用最强，详见图4(b)。另外由图4(c)可知，PHC管桩在往复荷载作用下，桩-土之间会出现明显的分离现象，且分离现象会随着往复位移的增大而越来越显著。由以上分析可知，三维桩-土模型更为直观地显示桩-土破坏形式，对于揭示桩-土相互作用现象具有重要作用。

(a)桩基应力

2.2 滞回与骨架曲线

PHC管桩-土结构在往复荷载作用下的滞回曲线和骨架曲线如图5所示。

(a)滞回曲线

由图5(a)可知，PHC管桩-土结构的滞回曲线较为饱满，说明PHC管桩-土结构的耗能能力较好，土体提供了较好的阻尼作用。由图5(b)可知，PHC管桩在前期处于弹性范围，刚度较大，随着荷载作用增大，混凝土会出现开裂，此时PHC管桩的刚度会下降，其荷载的增大速率明显降低。

2.3 桩身位移

PHC管桩在土体内的变形曲线如图6所示。由图6可知，在不同位移荷载作用下，PHC管桩沿着埋深方向表现出相似的变形曲线，在桩顶处的变形最大。由变形规律可知，桩身变形范围较小，大致在0.85 m埋深位置，超过该埋深位置后桩身的受力基本可忽略不计。

(a)桩身侧向位移分布

2.4 桩身弯矩

PHC管桩沿着埋深方向的弯矩分布如图7所示。由图7可知，PHC管桩的弯矩沿着埋深方向先出现逐渐增大的变化规律，达到3.5D(D为桩径)埋深处时最大，随后其弯矩将继续下降，到桩底处时基本为0。也可由此得知，桩身最严重破坏位置出现在3.5D的埋深位置，该处的桩-土相互作用最为显著。

图7 桩身弯矩分布

3 结论

1)桩身与土体在往复荷载作用下出现了3处最为明显的破坏，在该处土体首先进入塑性阶段，桩身混凝土发生开裂。

2)PHC管桩-土结构的滞回曲线较为饱满，其耗能能力较好，土体提供了较好的阻尼作用。其骨架曲线的发展主要分为2个阶段：弹性阶段和塑性阶段。

3)在不同位移荷载作用下，PHC管桩沿着埋深方向表现出相似的变形曲线，在桩顶处的变形最大。桩基的有效作用范围为0～0.85 m埋深位置，超过该埋深位置后桩身的受力基本可忽略不计。

4)PHC管桩最严重破坏位置出现在3.5D的埋深位置，该处的桩-土相互作用最为显著。