基于ANSYS/LS—DYNA对打桩过程的数值模拟

周明伟　朱念　章鹏

摘要：采用ANSYS/LS-DYNA非线性动力有限元分析方法，对打桩过程进行数值模拟，分析了打桩过程中位移和应力变化情况，得到了有益的工程结论。验证了基于ANSYS/LS-DYNA非线性动力有限元法在打桩分析问题中的可行性。

关键词：有限元；打桩；数值模拟

中图分类号：TU443 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2152-03

随着工程建设朝着超高层和超大型方向发展，以及地质条件和环境的复杂、恶劣，桩基础作为一种安全、有效、可靠、适应性强的基础形式很好地解决了过量沉降和差异沉降的问题，而得到广泛推广应用。桩基施工工艺经历了多年的发展，打桩主要还是静压法和锤击法。锤击由于其快速和需要动力小、作业空间小、机动性好，是最为常用和成熟的打桩方法。目前我国打桩的设备和工艺确定还主要停留在经验分析的层面上，打桩施工中提出的基于牛顿刚体碰撞理论的动力打桩公式，并不符合打桩过程中非线性的特点，从而在实际应用中存在不少问题[1]，因此在施工现场常因经验不足，出现锤击力过小导致拒锤或过大导致超打等现象[2]。该文采用大型通用软件ANSYS/LS-DYNA对打桩过程进行非线性分析，总结了一些有益的工程结论，对打桩的实际施工，有一定的启发。

1 锤击法打桩法基本原理

锤击法打桩的基本原理是利用桩锤的冲击克服土壤对桩的阻力，使桩端落到预定设计深度或进入地基持力层。

分析打桩过程见图1，对桩锤进行力学分析，对桩锤和桩进行位移连续性分析，按爱德华.L.威尔逊的理论[3]得出，当桩锤以[Vh]的速度冲击桩顶，冲击力可以表示为：

式中：[ωd=ω1-ξ2、ω=km、ξ=kc2ωEA]，[Vh]为桩锤对桩顶的冲击速度，[k]为桩顶的垫块弹簧刚度，[EA]为桩的抗压刚度，[c]为应力波在桩身传播的波速，[m]为桩锤的质量。

锤击打桩法的基本特点：①瞬时性；②冲击力大；③桩体变形小。

2 有限元模型的建立

2.1 桩体模型的建立

为了便于分析，选择0.3×0.3×20.0m方桩，建立几何模型，采用SOLID164六面体单元，其材料参数见表1。桩体的本构模型为线弹性。

2.2 网格划分

采用映射网格划分，划分尺寸为0.05m，网格划分见图2。

2.3 约束和边界条件

考虑到施加的冲击力极小，桩端几乎不能下沉，桩端的实际约束方式可视为固定端[4]。

3 仿真过程及分析

3.1 轴向位移分析

选择距桩底深度分别为0.0m，5.0m，10.0m，15.0m，20.0m的1#、597#、697#、797#、50#节点，绘制桩身轴向位移时程曲线，见图4。

从图4中，可以看出整个位移变化过程是在瞬时（15ms之内）完成的，轴向位移都很小（4μm以内），这是由打桩过程的瞬时冲击决定的，与锤击力幅值大小有关。观察各节点位移曲线的特点，各节点都是在瞬时冲击后，迅速获得向下的轴向位移，位移的大小随着节点离桩头距离的增大而减小，C、D、E曲线获得相同的轴向最大位移，表明C、D、E曲线对应的节点所在的桩身部分出现整体位移，保持连续性，这与各节点所处位置受到的竖向摩阻力大小一致，也和应力波在土壤中传播过程中的能量损失有关，C、D、E对应节点产生比A、B对应节点更大的轴向位移，表明这个过程中桩身上部被压缩，达到向下最大位移以后，各个节点曲线都出现了一个平台期，平台期的长度是随着节点离桩顶距离的增大而减小，在这之后各节点迅速反弹恢复至零位移，各节点随着离桩顶的距离的越大越早恢复，这是由其位移大小决定的。位于桩身顶部的D、E所对应的节点在恢复到零点后，继续反弹，这是由于它们无上部约束力和较小的侧向约束力，最后保持相同的反弹位移，保持桩顶的连续性。

3.2 轴向应力分析

选择距桩底深度分别为0.0m、5.0m、10.0m、15.0m、20.0m的13#、3577#、7177#、10782#、14377#单元，绘制桩身轴向应力时程曲线，见图5。

从图5可以看出，A曲线对应桩底单元，由于假定桩底为固定端，因此桩顶传来的压力波经反射后仍然为压力波，且幅值与入射波相同，两波叠加的结果使得固定端压力波幅值加倍。E曲线对应桩顶单元，其应力时程反映出加载的过程，即持续时间为1ms的压力脉冲波。D、C、B曲线对应应力波传播过程中依次将经过的桩体单元，可以清晰看出入射波、反射波在计算时间内重叠又分开的整个过程。

4 结论

1）ANSYS/LS-DYNA的非线性动力分析可以比较好的模拟脉冲波作用下的应力波在桩身的传播，可以看出桩身不同位置的应力和位移变化情况，很好地解决了一系列理论难题，有待进一步开发。

2）通过数值模拟得到的一些结论可以为确定桩基设计参数和施工方案提供参考，以确立合理的机械设备、最大锤击力和锤击频率，使打桩更加经济高效和安全可靠。

参考文献：

[1] 方治华，程建华.打桩过程的非线性有限元分析[J].内蒙古科技大学学报，2009，28（2）：184-186.

[2] 龚维明，蒋永生.某海洋平台钢管桩可打性分析[J].岩土工程学报，2000，22（2）：227-230.

[3] 爱德华，威尔逊.结构静力与动力分析[M].北京：中国建筑出版社，2006.

[4] 尚小江，苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006：167.