桩基承载力分析
运用abaqus软件对一实例进行桩土建模并进行分析。
1. 问题背景
有一混凝土实心园桩位于位于正常固结饱和粘土中，地下水位与地基齐平。桩长10m，
桩径0.5m。考虑到轴对称性，采用轴对称模型进行分析。分析区域桩端向下扩展1倍桩长，
水平方向取20倍桩径，以求将边界对分析区的影响降到最低。土体采用剑桥模型模拟，参
数建下表所示，桩采用线弹性模型，弹性模量E=20GPa，泊松比v=0.2。桩土摩擦系数为0.42
（tan（0.75））
土体参数
材料 '3(kN/m)    M' 1e k（m/s）

软粘土
8.0 0.35 0.2 0.04 1.2(30) 2.0
7110


2. 初始条件分析
初始应力的合理设置对求解的可靠性十分重要。根据已知条件，土体为正常固结粘

土，设土体经历了一维0K正常固结，则竖向初始应力'0v和水平初始应力'0h:

''0vz;''
000hv
K

0
K
为初始水平土压力系数，考虑到水平方向无边形，取为/(1)0.538。

3. abaqus模型建立过程
1. 建立部件
在part模块中执行part>creat命令，建立名为soil的部件。其设置如下：modeling space
设为axisymmetric，type设为deformable，base feature设为shell（二维的面）。根据
下图尺寸完成部件soil的建立。用同样的方法一句下图中的尺寸建立名为pile的部
件。

土体部件尺寸（单位m） 桩部件尺寸（单位m）
2. 设置材料及截面特性
在property模块中执行materia>creat命令，建立名为soil的材料，执行edit material
对话框中的mechanical>elasticity>porous elastic和mechanical>plasticity>clay
plasticity命令，设置剑桥模型参数如下图所示。
按照上述步骤建立名为pile的弹性材料。
然后执行section>creat命令，分别设置名为soil和pile的截面属性（对应的材料为soil和pile），
并执行assign>section命令付给相应的区域。
3. 装配部件
在assembly模块中，执行step>creat命令，在弹出的creat step对话框中设定名为
geo，分析步类型选为geostatic，单击continue按钮进去edit step对话框，接受默认
选项后退出。
按照上述步骤建立一个名为load的soil（用于土壤力学分析）类型的瞬态分析步，
其时间为1800s，初始时间增量步为250，允许的最大增量步为1800，增量步允许
的孔压变化为20kpa。
4. 定义接触
点击进入interaction模块，为了定义接触方便，先要定义一系列的面。点击
tools>surface>creat命令，将桩周表面设为pile-1，土体与桩周接触的面定义为soil-1，
桩端设为pile-2，土体与桩端的交界面设为soil-2。
点击interaction>property>create命令，建立一个名为pile-soil的接触特性，其中法
向行为选择硬接触（“hard”contact），切向模型选为penalty，摩擦系数为0.42（tan
（0.75））。
点击interaction>creat命令，在creat interaction对话框中将名字设为int-1，确保step
下拉列表中为nitial，代表接触从初始分析步中就存在，点击continue按钮，此时按
提示区中的要求选择主面，根据abaqus中的主从面的规定，选柱侧面（pile-1）为
主面，soil-1为从面，弹出的edit interaction对话窗中，在contact interaction property
下拉列表中选择之前定义的接触面特性pile-soil，接受其余默认选项，确认后退出。
按照上述步骤建立桩端和土体的接触对int-2.
5. 定义荷载边界条件
在load模块中，执行BC>creat命令，限定土体模型两侧的水平位移和模型底端两
个方向的位移。注意这些边界条件在initial步或geo分析步中已经激活生效。另外
需要注意，在桩的中心线上也要设置水平方向的约束。
单击load>creat命令，在geo分析步中对土体和桩所有区域施加体力-8，来模拟重
力荷载，这意味着计算将基于超孔压进行。
为了模拟桩的快速加载，单击BC>creat命令，在load分析步中将桩顶指向下的位
移-0.05m，即0.1D，D为桩径。，在这里我们考虑不排水加载，因此并未设置排水
边界。
6. 划分网格
进入mesh模块，将环境栏中的object选项选为part，意味着网格化分是在part的
层面上进行的。
为了便于划分网格，单击tools>partition命令，将区域划分成几个合适的区域。单
击mesh>controls命令，在mesh controls对话框中选择单元形状为Quad四边形，选
择technique为sweep。执行mesh>element type命令，将土体和桩的单元类型分别
设为CAX4P和CAX4。通过seed下的菜单设置合适的网格密度，将桩在深度范围
内划分30个单元，桩径范围内划分3个单元，但桩长范围内的土体划分40个单元，
土体在桩径范围内划分5个单元，这么做是为了满足固结计算中时间增量步的要求。
单击mesh>part命令，分别形成土体和桩的单元。
7. 修改模型输入文件
由于剑桥模型无法直接定义初始空隙比，必须在模型输入文件中定义。单击
model>edit keywords>model-one命令，在第一个分析步语句之前插入如下定义初始
空隙比和初始应力的语句：
*initial conditions,type=ratio
soil-1.Set-1,0.85
*initial conditions,type=stress,geostatic
soil-1.Set-1,0,20,-160,0,0.538
pile-1.Set-1,0,20,-80,10,0.538
保存修改。
8. 提交任务
进入job模块，单击job>creat命令，建立名为Job-xin的任务，提交计算。
9. 结果处理
1） 荷载沉降曲线
单击tools>path>creat命令，建立两条路径，一条为桩体内部从上到下的路径path-1；
一条为沿桩身与土体接触的路径path-2（该路径在桩的表面）。
单击tools>Xydate>creat命令，在编辑对话框中选择ODB fieldout，在弹出的对话框
中的position下拉菜单中选择unique nodal，选择S>S22,在elements/nodes选项卡中
的method中选择pick from viewport命令，单击右侧的add selection，然后从视口中
选择桩的一个顶部节点，点击鼠标中键确定。Ok，保存。再在Xydate管理器中点
击edit命令，复制其中的数据到excel，同样的方法复制该点的U2方向的位移到excel
中，建立荷载沉降曲线。如下图所示：

从上图表中可以看出当加载小于160kN之前（对应的沉降为16mm），荷载与沉降之间
大致呈直线变化，此后桩产生了快速的刺入变形，沉降随荷载的变化速率增加，表示桩
达到了极限状态。
2） 摩阻力
单击tools>Xydate>creat命令，数据源选择path，在弹出的xydate from path对话框中单
击右下方的field output按钮，弹出的对话框中在primary varible选项卡下选择
SCHEARF，在component中选择CSF2，点击ok，点击plot按钮，将最终时刻的桩土
接触面上的侧摩阻力绘制与下图中。

由上图可知桩侧摩阻力最大值大约为9.5kPa，摩阻力的分布和理论情况一致，总体上呈
线性分布，这是因为本算例中的桩身压缩变形很小，各深度处桩和桩间土的滑移变形都
很接近所致。