和我一起探索ABAQUS桩基承载力分析中的实际应用价值
众所周知，桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、抗震能力强、便于机械化施工、适应性强等特点，因此其在工程中得到广泛的应用。桩基础由桩和承台两部分组成，共同承受静动荷载的一种深基础，把建筑的荷载传给深处的土层或岩石层。在考虑桩基础设计时，一般对于桩基承载力的取值采用原位试验与经验计算法。原位试验的施工工期较长且一般取3~5根，数量有限；经验系数法的适用面虽然广泛，但针对某一地区的项目一般给出一个范围值，现在的地产项目普遍高周期运作，如何快速、方便的得到桩基承载力具有很高利用价值的，那么是否有其他方法来达到这一目的呢。近年来，随着计算机技术的飞速发展，数值模拟方法已在工程行业得到广泛应用，尤其是有限元方法，有限体积方法，更是解决了很多工程难题。在此背景下，本文试图通过数值模拟的方法来分析不同土层下的桩基承载力计算可行性。cu为土体的不排水强度，a为经验系数，其取值范围在0.5~1.0
为桩端土体的有效粘聚力；
为桩端土体竖向有效应力；
为承载力系数
本文以黏土及砂土为例，分别采用总应力法和有效应力法进行基桩竖向承载力及水平承载力分析，土体分别采用莫尔-库伦理论及剑桥理论。- 案例一：不排水加载，采用总应力分析，采用莫尔-库伦理论，不设置接触面；桩基础几何尺寸如下所示：桩长L=20m，桩径D=1m，桩基弹性模量=20GPa，泊松比v=0.15；土的力学参数如下所示：
- 案例四：砂土，设置接触面，切向摩擦系数取为0.466；
案例五：排水加载，采用有效应力分析。
桩基础的参数如下所示：桩长10m，桩径0.5m，弹性模量E=20GPa，泊松比v=0.2，桩土摩擦系数取0.577.土体的剑桥模型参数如下所示：
在模型一的基础上考虑土体强度的线性分布（在地表处为10kPa，在底部为100kPa），通过预定义场的子程序来实现；桩长20m，桩径为1,0m，桩顶承受水平荷载为3000kN，桩-土间摩擦系数取为0.4，材料参数如下所示：建立后的三维模型均为下图所示，其中桩基础周围均为土体材料，采用轴对称建模方式，材料参数如前文所述。
分析步如下图所示：初始地应力GEO参数采用默认参数(荷载步里指定Y向-18kN)，荷载分析步增量步采用0.1~0.2，矩阵存储方式采用非对称方式。
边界条件设置如下所示：左右两侧约束X向水平位移，底部约束X,Y向平移自由度，在LOAD分析步指定Y向0.04m的沉降。
网格划分：采用CAX4的单元，单元形状为四边形的扫略方式划分方法。
案例二的建模方式同案例一，需要将分别建立的土体和桩体在接触里进行设置，设置的接触属性如下图所示：
分别在底部及侧部建立接触，并采用小滑移的方法。
案例三的建模方式同案例一，需要将土体的材料参数进行修改：
案例四综合案例二与案例三；
案例五的几何模型同前述模型，材料参数需要采用剑桥模型，具体参数如前文所述。
案例六的土体参数为线性变化的材料，需要采用子程序UFIELD设置粘聚力强度为随着土体深度加大的材料模型；
案例七采用10mx20m的土体，土体深度为20m，桩体半径为0.5m，桩长为20m。莫尔-库伦理论参数如前文所述，分析步中分别采用两个加荷步；
接触的定义如下所示，
水平荷载按照剪力考虑，具体数值如下：
案例一的沉降-位移曲线及桩侧摩阻力分布分别如下图所示：
从计算结果可以看出，桩侧阻力在发生0.01m位移时达到最大值，大小为6295kN，与按照理论计算的结果culu=100x20x3.14x2x0,5=6283kN接近。从桩侧阻力分布也可以看出加载初期，桩顶的桩土相对位移最大，摩阻力发挥的最早，随着加载的进行，摩阻力从上到下发挥，直至全长达到极限值。案例二的沉降-位移曲线及桩侧摩阻力分布分别如下图所示从以上两个案例对比来看，可以发现桩基的竖向承载力在发生0.01位移时达到最大承载力，考虑接触后的竖向承载力有所降低，这是由于不设置接触面时，桩土间的相对滑移收到一定的限制，桩土间的极限承载力和刚度偏大。从桩土侧摩阻力的分布来看，考虑接触与否不影响侧阻力发挥的趋势。案例三的竖向承载力如下图所示（0°和20°剪胀角）：
从结果中可以看到当剪胀角较大时曲线无明显的转折点，这是因为此时的土体单元产生无限制的剪胀，水平应力持续增加，摩阻力也继续增加。案例四的竖向承载力如下图所示（0°和20°剪胀角）：
从以上两个案例对比可以发现不考虑剪胀角时，桩考虑接触对结果无影响，而当剪胀角较大时，由于软件的接触模型未考虑界面剪胀，故极限承载力会偏小。
由计算结果可知，极限承载力为226kN，与a理论计算结果一致。
可以通过检查FV1的数值线云图判断子程序的有效性，侧阻力的发挥过程表明了在桩顶附近，摩阻力较小，在深处的较大，与预先的假设一致。在遇到实际桩基穿越多层土层时，可以利用加权平均的方法，将各土层的强度值等价为一个线性分布的强度来进行承载力分析。
从计算结果可以看到桩表现为明显的弹性桩性状，在桩顶最大位移为10cm，在桩顶以下8m处位移几乎为0。从桩身弯矩沿桩长分布可以看到在距桩顶6m处，最大弯矩为2200kN·m。本文通过砂土与黏土的极限承载力和内力分布案例分析与理论计算进行比较，说明应用ABAQUS在桩基承载力方面具有实际应用价值，可以作为日常桩基承载力取值的补充手段。但是在软件的具体操作过程中未做详细描述，感兴趣的朋友可以跟着笔者一起来来学习《超高层建筑大跨空间结构之ABAQUS钢结构复杂节点分析》。为此，我在仿真秀平台推出了：《基于ABAQUS钢结构复杂节点分析9讲—获得钢结构节点FEA分析流程和核心关键技能》就是笔者利用ABAQUS软件对钢结构节点FEA流程和技巧进行的详细讲解，希望对学习型仿真工程师有些许帮助。
基于ABAQUS钢结构复杂节点分析9讲—获得钢结构节点FEA分析流程和核心关键技能
《ABAQUS岩土工程实例详解》，费康，彭劼，2017年1月第一版，人民邮电出版社.作者：赵老师，11年的结构分析经验，6年大型设计院实战经验，工学硕士学历，仿真秀科普作者。曾就职于北京市建筑设计院、中国市政西南设计院研究总院。项目经历：湖南岳阳大酒店超限设计报告。
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