ANSYS对螺旋桩的3D抗拔试验数值模拟

2017-04-24 by:CAE仿真在线来源:互联网

一、试验桩概况及拟实现的网格效果

本次将对文献Uplift behaviour of helical anchors in clay(WANG,D)中的试验螺旋桩C1进行网格划分,其尺寸如下:杆轴长9.85m,直径0.4m,有三个螺旋板,直径均为2.4m,从顶到底螺旋板离地表的距离分别为2.65m、6.25m、9.85m,螺旋板间距3.6米,板间距与直径比为1.5。土体为匀质高岭土,其抗剪强度随深度递增,重塑土强度变化规律为Su=16+0.95z。网格划分时,在螺旋桩螺旋板半径范围内的土体尺寸较密,远离桩体的边界附近土体较疏,中间逐渐增大,效果如下:

二、螺旋桩的数值模型描述

1、单元类型及边界条件

土体单元为低阶四节点四面体单位SOLID285。

2、材料参数

土体:1/4圆柱体,泊松比为0.49,饱和不排水条件下,不可压缩材料,理想弹塑性本构(遵循Mises屈服准则,原文本为Tresca,ANSYS中无该准则),ANSYS中仅需输入弹性模量和屈服应力即可。为了简化分析,本文不考虑土体抗剪强度随深度的变化,近似为常量,取地表与地下10米深之间土体的平均抗剪强度值Su=20.75Kpa,弹性模量为500Su=10375Kpa,Mises屈服应力为23.96 Kpa(Mises剪切屈服应力为拉伸屈服应力k的0.577倍,而k可由Tresca的剪切屈服强度得出)。

刚性钢材:刚度无穷大。(参考文献8a separate analytical rigid surface、文献11a discrete rigid body)。

3、接触界面特性

不考虑杆轴与土体之间的摩阻力;仅考虑螺旋板与土体之间的接触滑移;螺旋板顶部与土的接触:均建立接触单元,法向抗压刚度无穷大,抗拉刚度为0,切向最大抗剪强度为t=aCu ,参数a取论文5中的0.5(Radolph P251),则最大抗剪强度为0.5*20.75=10.375 Kpa(论文5中Cu即为不排水抗剪强度p16)。ANSYS中接触单元需输入摩擦系数,暂取0.2(关于钢材与粘土的摩擦系数后续再确定);螺旋板底部与土的接触:除了底部螺旋板与土体为脱离模式,其他螺旋板与土体为粘结模式。脱离模式中的接触界面参数同螺旋板顶

三、操作步骤

!主要特点是:使用智能技术对几何体进行原始网格划分。没有使用局部网格加密(REMESH),为了节省计算资源,弹性材料,MU=0;(文件名为WANG D-c1 20151006.txt),各个不同的接触对可以使用相同的单元类型,只要实常数R不同即可。
(由于字数限制,此处省略了命令流)

四、计算结果

1、螺旋桩的向上抗拔位移图

2、关于模型的几点说明

1)桩顶作用的最大位移为600mm,但仅进行到60mm就不收敛了,原因是螺旋板侧板的土体单元因剪切而变形过大,程序警告如下:

*** ERROR *** CP = 201.578 TIME= 08:58:23
Element 14832(图片如下)

单元14732的节点坐标如下,该单元位紧邻最底部螺旋板的侧面。

NODE X Y Z THXY THYZ THZX
2749 180.03 1190.1 -9919.0 0.00 0.00 0.00
2750 72.074 1200.7 -9918.7 0.00 0.00 0.00
2785 63.086 1202.1 -9900.1 0.00 0.00 0.00
3268 97.890 1279.4 -9913.9 0.00 0.00 0.00

2)上面的弹性模型是可以计算的,但其他条件不变,仅将土体材料改为弹塑性,计算就连第一步都不能收敛了;

MP,EX,1,10.375 !soil material properties
MP,NUXY,1,0.49 !poisson's ratio
TB,BISO,1,1 !bilinear isotropic material
TBDATA,1,0.024 !yield stress in MPa
TBDATA,2,0.01 !tangent modulus in MPa

3)在SOLVE之前,一定要认真检查模型是否正确,检查内容包括:接触对方向和网格划分质量,如下:

注:在求解前,进行上述网格检查没有畸形单元警告,但求解完以后再检查,发现有上图的单元警告了。

4)模型尚需改善的地方:

第一点,本模型没有考虑土层的初始地应力,按常规的模拟方法是可以实现的(可参考本博客相关博文),但为了节省计算机资源,有些文献将螺旋桩内部钢构件视为刚体,在ANSYS中可以将3D钢构件设为刚体(如何设置可参考本博客其他博文),但3D刚体能否正确模拟初始地应力有待进一步研究。

模拟初始地应力的初步方法是:不需对视为刚体的螺旋桩内部钢构件进行3D实体单元划分,仅通过其侧面的TARGET接触节点来实现刚体的整体位移效果,整体模型分为两个荷载步,第一为自重作用计算,在螺旋桩内部钢构件的同一位置建立实体3D土体单元参与重力计算,在第二个外部荷载步计算时,将之前的土体单元杀死,导入初始地应力文件,即可。

第二点,螺旋桩模型由于材料非线性(弹塑性)、几何非线性(大应变和网格自适应划分)及状态非线性(接触)等特点,导致3D模型消耗大量的计算资源,分析效率极其低效。如何让3D弹塑性模型能够顺利计算下去且不发散,还需在高性能计算站进一步开展。

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才