樁靴支護結構對樁端極限承載力的影響

張兆德，呂國興，張心

1浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山316022

2浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江舟山 316022

樁靴支護結構對樁端極限承載力的影響

張兆德1，2，呂國興1，2，張心1，2

1浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山316022

2浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江舟山 316022

以渤海灣“勝利五號”自升式作業平臺樁基貫入工程實例為基礎，優化自升式平臺樁靴支護結構位置，采用有限元數值模擬位置優化后的樁端極限承載力，并與實際樁端承載進行比較。優化結果表明：沿樁靴徑向和垂向優化發現樁端極限承載力由內向外是先增大、后減小，支護結構在r'/r=0.6，h/H=0.4處優化達到預期效果；合理優化樁靴支護結構的位置可以改變樁靴上端面土體流動方向，減小土體對樁靴上端面沖量及樁靴上、下端面土體流速差，穩定貫樁過程，能夠增加樁端極限承載力。

自升式平臺；樁靴；極限承載力；支護；數值模擬

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.020.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：張兆德，呂國興，張心.樁靴支護結構對樁端極限承載力的影響［J］.中國艦船研究，2016，11（2）：66-71.

ZHANG Zhaode，LV Guoxing，ZHANG Xin.The effect of optimized structures on the spudcan bearing capacity［J］.

Chinese Journal of Ship Research，2016，11（2）：66-71.

0　引　言

在近海石油勘探與開發過程中，自升式平臺是一種常用的移動平臺結構形式。此類海洋工程結構的共同特點是依靠樁腿和樁靴支持在海底基礎上，其入泥深度遠小于樁靴尺度，因此經常會發生地基不穩、樁腿沉降不勻、平臺傾斜、沖刷與淘空現象。同時，樁靴上部空腔破壞后坍塌的土體覆蓋在樁靴上部會加大拔樁作業的困難。對樁基貫入問題，國內、外學者開展了大量研究［1-5］，但是對于自升式平臺樁靴的優化設計涉及較少。樁靴結構形式影響貫樁過程中樁側土體的回流機制［6］，現有樁靴結構雖保證了平穩貫樁，卻忽略了樁側土體回流機制對插拔作業的影響、支護結構對基礎的影響。吳賢國等［7］采用有限元方法研究了支護結構對上部框架結構—筏基—地基的共同作用體系的作用，研究認為支護結構可以分擔建筑物的部分載荷，影響地基承載力，同時也增大了基礎內力。楊光華［8］對深基坑支護結構的受力和變形計算提出了一套系統的實用計算方法，較好地解決了基坑支護結構設計、計算的關鍵問題，并已經在工程實踐中成功應用。

與實際樁靴樁端承載比較發現，由于樁靴支護結構的存在，影響了貫樁過程中樁側土體的回流形式。沿徑向和垂向分別選取優化位置并分析，發現不同位置處樁靴支護結構對樁端極限承載影響不同。

1　樁靴結構優化設計

1.1有限元數值模型

圖1　樁靴模型Fig.1　The spudcan model

圖2　地基網格模型Fig.2　The foundation mesh model

樁靴支護結構優化位置沿徑向和垂向的分布如表1所示。表中：r'為徑向優化位移至樁軸中心線的水平距離；r為樁靴半徑；H為樁靴貫入地基的深度，取H=6 m；h'為垂向優化位置至樁靴上部的垂直距離。

表1　樁靴優化位置Tab.1　The optimized position on spud can

1.2工程地質條件

在以樁端極限承載力為研究重點的問題中，應考慮樁靴上部空腔破壞，土體回流對樁端承載的影響，因此在結構強度設計中以樁靴上部完全被土體所覆蓋為原則來探究樁端極限承載力。由于土質材料的不同，硬土空腔狀態不易發生破壞，不適宜探究樁端極限承載力問題。在插樁深度范圍內的地基土主要由粘土、淤泥質粘土和粉土構成，為準確模擬樁基貫入過程及樁靴上部空腔形態結構對樁端極限承載力的影響，對土質參數進行軟化處理，將土質結構簡化為粘土屬性，如表2所示。

表2　土體參數Tab.2　The soil parameters

2　樁端承載力工程應用與研究

對優化位置分別進行數值模擬計算、分析，發現樁靴支護結構的存在改變了樁土貫入過程局部性能，但是沿垂向、徑向不同位置，貫樁阻力隨貫入深度的變化趨勢一致，樁端承載存在局部波動。即對樁靴結構的優化并沒有改變樁端承載的趨勢，符合結構優化的目的。圖3所示為沿樁靴垂向優化位置貫入深度與樁端承載力示意圖，圖4所示為沿樁靴徑向優化位置貫入深度與樁端承載力示意圖。

圖3　垂向優化樁貫入阻力Fig.3　The spudcan penetration resistance on vertical optimized position

圖4　徑向優化樁貫入阻力Fig.4　The spudcan penetration resistance on radial optimized position

2.1樁靴結構沿徑向優化設計

采用有限元數值模擬支護結構對樁端極限承載力的影響，并與實際樁端承載進行比較。“勝利五號”自升式平臺樁靴樁端承載實際載重RF= 9 880 000 N，如圖5中虛線所示。

由圖5可知，同一徑向位置，樁靴支護結構沿不同垂向位置優化對樁端承載影響不同。其中，在徑向位置r'/r=0.6處，樁端極限承載力優化效果最好；在r'/r=0.5，h/H=0.4和r'/r=0.7，h/H=0.4處，樁端極限承載力均超過了實樁樁端極限承載力；在r'/r=0.8處，樁端極限承載力小于實樁樁端極限承載力。

圖5　徑向位置r'/r=0.5，0.6，0.7，0.8處樁端極限承載力變化Fig.5　The spudcan bearing capacity at radial optimized position r'/r=0.5，0.6，0.7，0.8

可知，沿徑向樁端支護優化由內向外的樁端極限承載力是先增大后減小。在r'/r=0.6處，h/H=0.3，0.35，0.4處優化達到預期效果。

2017年10月18日，在中國共產黨第十九次全國代表大會上，習近平總書記首次提出“新時代中國特色社會主義思想”。十九大的召開，標志著中國步入了社會主義發展的新時代，在“新時代中國特色社會主義思想”中，建設文化強國，是實現中華民族偉大復興的中國夢的前提和基礎。

2.2樁靴結構沿垂向優化設計

由圖6可知，同一垂向位置，樁靴支護結構沿不同徑向位置優化對樁端承載力的影響不同。其中，在垂向位置h/H=0.40，r'/r=0.6，0.7處，樁端極限承載力優化效果最好；隨著垂向深度的增加，樁端極限承載力是先增大后減小。

圖6　垂向位置h/H=0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50處樁端極限承載力的變化Fig.6　The spudcan bearing capacity at vertical optimized position h/H=0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50

隨著垂向優化位置變大，樁靴上部空腔體積先增大后減小，樁端極限承載力也是先增大后減小，其中在h/H=0.40，r'/r=0.6，0.7處優化效果達到預期。

3　土體流動機理變化

3.1支護結構對樁側土體流動的影響

貫樁過程中，樁側土體流動形式及樁靴上部空腔形態的變化對樁端承載力的影響很大。樁靴優化前、后，樁靴上部從空腔形態開始破壞（圖7（a）、圖7（b））至空腔破壞穩定狀態（圖7（c）、圖7（d））時樁靴上、下端面土體流動速度矢量圖如圖7所示。

圖7　樁靴上、下端面土體流動速度矢量分布Fig.7　The soil flow velocity vector distribution on the spudcan

貫樁初始階段至空腔開始破壞，樁靴下土體被擠入樁側，在樁側，土體有相當大的回旋速度。由于支護結構的存在，改變了樁側土體的流動機制，支護結構的存在導致空腔的破壞提前發生，并且樁側土體的回旋速度也較未優化樁靴小，土體在空腔垂直剪切面破壞速度小。在樁土貫入過程中，樁側土體回流導致空腔垂直剪切面發生剪切破壞［11］。由空腔垂直剪切面破壞，導致該垂直面上的土體對樁靴上部端面有一定的速度沖擊。同時，樁端下部土體受壓被擠入樁側致樁靴下形成瞬態吸力［12］，導致在樁靴上、下端面形成速度逆差，由于該速度逆差的存在，導致貫樁過程中樁端承載呈現波動。若該速度逆差變大，易導致樁靴上部空腔坍塌破壞，不利于貫樁穩定性。

至貫樁達到穩定狀態，樁靴上部完全被土體覆蓋，空腔破壞形態穩定，支護結構的存在使樁側土體僅存在局部的土體回旋運動，土體表面運動穩定。對于未優化樁靴，其上端面存在垂直沖擊速度，同時樁靴下土體的分離速度比較激烈，貫樁速度仍有較大速差存在。

由樁靴上、下端面土體流動速度矢量圖可知，支護結構的存在在一定程度上改變了樁側土體的流動形式，緩和了樁側土體的回旋運動，使得貫樁過程更加穩定。

3.2樁靴上、下端面土體流速差

樁土貫入過程中，原始樁靴與優化樁靴上、下端面的土體流動速度分布如圖8所示。貫樁初始階段，樁靴上、下端面土體流動速度及速度差較小。至空腔開始破壞時刻，貫樁深度達到臨界深度h=1.73 m后，樁靴下土體被擠入樁側，土體在樁側開始回流運動。樁靴上部空腔在回流土體的沖擊作用下，沿空腔垂直剪切面發生剪切破壞，樁靴上部土體回流速度變大；貫樁穩定后，樁靴上、下端面土體流動穩定。

圖8　樁靴上、下端面土體流動速度分布及相對速度Fig.8　The soil flow velocity distribution and the relative velocity at up and down the spudcan

樁靴支護結構離樁軸中心線徑向位置越遠，樁靴上部空腔的破壞提前，樁側土體回旋運動越緩和。空腔破壞后土體回流沖擊樁靴上端面的垂向速度分量變小，樁靴上、下端面速度逆差減小。樁靴支護結構離樁靴端面水平線垂向位置越遠，空腔穩定破壞前樁側土體回流至支護結構后其速度垂向分量越小，但土體對樁軸的水平沖擊速度較大。

綜上所述，合理的樁靴支護結構位置能夠增大貫樁過程中樁端極限承載力，在徑向優化位置r'/r=0.6，垂向優化位置h/H=0.40處，樁靴支護結構的優化對樁端極限承載力貢獻最大。

4　結　論

通過有限元數值模擬分析樁靴支護結構位置對樁側及空腔壁面土體流動特性和樁端極限承載力的影響，并同實際工程中樁端承載力進行比較、分析，得到以下結論：

1）樁靴支護結構影響地基承載能力。樁靴支護結構沿徑向位置優化，距樁軸中心線由內向外，樁端極限承載力是先增大后減小；樁靴支護結構沿垂向位置優化，距樁靴上端面由近及遠，樁端極限承載力是先增大后減小。

2）樁靴支護結構的存在改變了樁靴上端面土體流動機理。離樁軸中心徑向位置越遠，樁靴上部空腔破壞越早；離樁靴上端面垂向位置越遠，樁靴上部土體的垂向分量越小。支護結構的存在緩和了樁側土體的回旋速度，同時空腔壁面破壞后，土體沖擊樁靴上端面的速度變小，樁靴上、下端面土體流速差變小，更有利于穩定的插樁作業。

［1］ 趙春風，蔣東海，崔海勇.單樁極限承載力的靜力觸探估算法研究［J］.巖土力學，2003，24（增刊2）：408-410. ZHAO Chunfeng，JIANG Donghai，CUI Haiyong.Re?search on pile ultimate capacity calculation based on static one penetration test［J］.Rock and Soil Mechan?ics，2003，24（Supp 2）：408-410.

［2］HOSSAIN M S，RANDOLPH M F.Deep-penetrating spudcan foundations on layered clays：numerical analy?sis［J］.Géotechnique，2010，60（3）：171-184.

［3］鄧建剛，傅旭東，羅云華.單樁極限承載力的預測［J］.勘察科學技術，2003（2）：9-12. DENG Jiangang，FU Xudong，LUO Yunhua.Predic?tion of ultimate bearing capacity of single pile［J］.Site Investigation Science and Technology，2003（2）：9-12.

［4］ 張亞旭，王修信，莊海洋.接觸對樁—土—結構動力相互作用體系的影響［J］.地震工程與工程振動，2009，29（6）：176-181. ZHANG Yaxu，WANG Xiuxin，ZHUANG Haiyang. Effectofcontactbehavioronresponsesof pile-soil-structure dynamic interaction systems［J］. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vi?bration，2009，29（6）：176-181.

［5］ LIU W K，BELYTSCHKO T，CHANG H.An arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element method for path-de?pendent materials［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1986，58（2）：227-245.

［6］YI J T，LEE F H，GOH S H，et al.Eulerian finite ele?ment analysis of excess pore pressure generated by spudcan installation into soft clay［J］.Computers and Geotechnics，2012，42：157-170.

［7］吳賢國，蔡英群.支護結構與上部結構共同作用的分析研究［J］.華中科技大學學報（城市科學版），2003，20（3）：19-22. WU Xianguo，CAI Yingqun.Analysis of supporting pile structure interaction［J］.Journal of Huazhong Uni?versity of Science and Technology（Urban Science Edi?tion），2003，20（3）：19-22.

［8］楊光華.深基坑支護結構的實用計算方法及其應用［J］.巖土力學，2004，25（12）：1885-1896. YANG Guanghua.Practical calculation method of re?taining structures for deep excavations and its applica?tion［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25（12）：1885-1896.

［9］ 劉書，劉晶波，方鄂華.動接觸問題及其數值模擬的研究進展［J］.工程力學，1999，16（6）：14-28. LIU Shu，LIU Jingbo，FANG Ehua.The advances of studies on the dynamic contact problem and its numeri?cal methods［J］.Engineering Mechanics，1999，16 （6）：14-28.

［10］ 王滿生，周錫元，胡聿賢.樁土動力分析中接觸模型的研究［J］.巖土工程學報，2005，27（6）：616-620. WANG Mansheng，ZHOU Xiyuan，HU Yuxian.Stud?ies on contact model of soil-pile dynamic interaction ［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27（6）：616-620.

［11］ HOSSAIN M S，RANDOLPH M F，HU Y，et al.Cav?ity stability and bearing capacity of spudcan founda?tions on clay［C］//Proceedings of the Offshore Tech?nology Conference（OTC'06），2006.

［12］張建，唐文獻，蘇世杰，等.硬土—軟土插樁過程數值分析及驗證［J］.石油勘探與開發，2013，40 （4）：492-496. ZHANG Jian，TANG Wenxian，SU Shijie，et al.Nu?merical analysis and verification of pile penetration in?to stiff-over-soft clay［J］.Petroleum Exploration and Development，2013，40（4）：492-496.

The effect of optimized structures on the spudcan bearing capacity

ZHANG Zhaode1，2，LV Guoxing1，2，ZHANG Xin1，2
1 School of Ship and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，China
2 Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang，Zhoushan 316022，China

Based on the engineering practice about the pile-soil penetration interaction of Shengli No.5 Jack-up in Bohai Bay，a numerical model for the pile-soil penetration process is established to investigate the bearing capacity of an optimized spudcan structure which is then compared to that of the real spudcan. The results show that the spudcan bearing capacity first increases and then decreases from inside to outside along the radial and vertical optimized position.At the radial r'/r=0.6 position and vertical h/H=0.4 posi?tion，the optimized structure satisfies expectation.It is concluded that the supports in reasonable positions can increase the spudcan bearing capacity and maintain the stability of the penetration process by changing the flow mechanism of soil，which decreases the impulse and velocity deficit of the soil at the top and bot?tom of the spudcan.

jack-up platform；spudcan；bearing capacity；supports；numerical simulation

U674.38+1；TU 473.1+1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.010

2015-05-11網絡出版時間：2016-3-17 10:56

國家自然科學基金資助項目（51179173，51379189）

張兆德，男，1964年生，博士，教授。研究方向：海洋工程結構動力分析。

E-mail：zhangzhaode@163.com

呂國興（通信作者），男，1992年生，碩士生。研究方向：海洋工程結構動力分析。

E-mail：1427997360@qq.com