贯入桩/沉桩(Driven Piles)的有限元模拟

1 引言

贯入桩/沉桩(Driven Piles)【沉桩(Driven Piles)简介; 桩基础的分类(Classification of Piles)】在工程实践中通用的和可接受的承载力估算方法是使用波动方程解WEAP和CAPWAP，很少有人使用有限元进行数值模拟。不过，有限元确实能够模拟打桩过程。这个例子取自Plaxis手册，简要描述用Plaxis 2D模拟Pile Driving的过程，着重练习了界面元设置和动力模拟步骤。 

2 Plaxis模拟

(1) 项目设置。原则上这是作任何题目的第一步。File>Project properties>Model(M),模型选择轴对称,范围取[30,18].

(2) 定义土层和设置材料参数。本例分为两层土。上部11m是粘土层，下部7m是砂层。粘土层使用Mohr-Coulomb模型，按不排水处理，使用界面强度降低系数(强度折减)模拟沿桩轴的摩擦力降低。为了正确模拟桩尖以下的非线性变形，砂层使用小应变刚度的硬化土模型HS-Small。由于快速的加载过程，砂层也被认为是不排水的。砂层中的短界面不代表土-结构的相互作用。因此界面强度降低系数为1。创建钻孔>修改土层，建立问题的几何模型，增加两层土和桩，分别设置计算所需要的参数。

(3) 设置界面元，桩的宽度为0.2m。界面元沿着桩身放置以模拟桩和土之间的相互作用。界面元使用法向弹簧和切向弹簧模拟，如下图所示。界面延伸到砂层中0.5m。界面只在土的一侧定义。设置界面元的材料参数很重要，尤其是在贯入过程中土沿桩的滑动引起的材料阻尼。

(4) 定义桩的几何形状和材料属性。桩按无孔隙的线弹性模型处理。注意在模拟开始时桩还不存在，因此最初桩的区域是粘土层。

(5) 设置动载荷。为了模拟打桩过程，需要在桩顶设置一个分布动载荷。参数设置如下所示：

(6) 产生网格。

(7) 设置分阶段施工步骤进行计算。计算由3个阶段组成。初始阶段生成初始应力条件，初始有效应力由默认值K0方法生成。在初始情况下，桩不存在，粘土属性应该被分配到相应的群组。孔隙水压力按照定义的水位(地表)计算。在阶段1创建桩体(Pile activation)，在阶段2桩受到载荷冲击(Pile driving)，通过激活一半的载荷谐波周期来模拟这个过程。打桩是一个动态过程，会引起周围土的振动。同时由于桩周围的应力迅速增加，会产生了超孔隙压力。在阶段3载荷保持为零(Fading)，分析桩和土的动态响应。

(8) 观察计算结果。下图所示的是界面上的最大剪应力分布和桩顶部垂直位移的变化过程。

有限元分析的主要观察结果是位移，应力和塑性区。下图所示的是最后阶段桩底部的位移，有效主应力和破坏区的塑性点分布。