基于ABAQUS的抗拔錨樁承載性能技術研究

林振良++陳大維

摘 要：為了更好地應用抗拔錨樁，利用ABAQUS軟件對抗拔錨樁進行數值模擬分析，以研究抗拔錨樁本身、樁基土體及加載特征等影響因素對抗拔錨樁承載性能的影響；研究發現，這些影響因素對抗錨樁的承載性能影響很大；希望為抗拔錨樁的理論研究及深海石油平臺錨固系統的研究提供數據參考。

關鍵詞：抗拔錨樁；ABAQUS；承載性能；影響因素

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.008

0 引言

抗拔錨樁是以樁與土間產生的內摩擦力及樁底與土體間產生的真空吸力來抵抗作用在樁體上的傾斜拉拔力的樁，是典型的抗拔樁；抗拔錨樁的特征是，承受的外力是通過錨鏈傳遞的且荷載的角度是變化的。李颯（2011）等學者對國外近年來的海洋石油平臺的錨固系統進行統計分析，發現有大多數的錨固基礎為樁基[1]。王志（2009）等學者研究表明土體強度越大，樁的抗拔承載性能越強[2]。因此，研究抗拔錨樁的承載性能影響因素對我國海洋平臺的發展具有相當重要的實際工程意義。

在樁基數值模擬上ABAQUS軟件的應用非常廣泛，并且取得了很多不錯的成績；陳晶（2005）等學者研究表明，采用ABAQUS軟件可以進行樁土相互作用分析[3]。連興華（2013）等學者通過有限元軟件ABAQUS模擬了McCabe et al.在2006年現場做的單、群樁的抗拔承載力試驗，結果表明，模擬結果與試驗結果吻合較好驗證了模型的有效性[4]。因此，本文采用ABAQUS軟件對抗拔錨樁承載性能影響因素進行數值模擬分析。

1 數值建模

本文參考Vesic（1970）等學者現場試驗資料[5]，應用ABAQUS軟件建立樁-土模型；取土體的彈性模量為100Mpa，重度2000kg/m3，泊松比為0.3，土的內摩擦角40°，粘聚力20kpa，樁-土界面摩擦角27°，取土體是半徑為10m（近12倍樁直徑），高為25m（近1.5倍樁長）的圓柱體；取樁的彈性模量為200Gpa，重度為7800kg/m3，泊松比為0.2，樁長15. 01 m，樁直徑為0. 453 m；樁-土模型如圖1。分析步設置地應力平衡分析步和荷載分析步（包括靜荷載和動荷載）；樁側采用硬接觸的面-面接觸，樁底采用“tie”綁定約束；土體邊界條件為底面是約束豎向位移，側面是約束水平任意方向位移，頂面不施加約束；樁、土體均采用八節點六面體線性縮減單元 C3D8R劃分網格，以減少計算誤差。

對此樁-土模型進行驗證，提取數據分析發現，抗拔樁承受豎直拉拔荷載1513.95KN時，樁體位移為14.44mm；與Vesic現場試驗結果極限承載力為1537.6KN非常接近；驗證了該樁-土模型的正確性及ABAQUS軟件的適用性。因此，以該模型為基礎，通過以抗拔錨樁的影響因素為研究對象，分析抗拔錨樁的承載性能。

2 數值分析

（1）應用ABAQUS軟件建立了樁土相互作用的三維有限元數值模型，探討抗拔錨樁本身、樁基土體及加載特征等影響因素對抗拔錨樁承載性能影響的技術研究，并且在ABAQUS軟件數值模擬的基礎上，以影響因素為變量，對比分析抗拔錨樁的承載性能。

（2）通過對樁的彈性模量、泊松比及長徑比等因素分別進行有限元分析。結果表明，在相同上拔力作用下，隨著樁體彈性模量逐漸減小，作用點位置樁體的變形逐漸增大；泊松比的大小通過改變樁體的側摩阻力進而影響樁的承載性能；在樁體有足夠強度的情況下，樁的長徑比越大，則承載性能越強。

（3）通過對樁基土體的彈性模量、泊松比、內摩擦角及粘聚力等參數進行有限元分析；分析發現，這些土體參數相互影響，且其作用原理各不相同，但均為通過改變土體的抗剪強度及樁側摩阻力以影響抗拔錨樁的承載性能。

（4）根據抗拔錨樁的受力特點及復雜的海洋環境，對系泊點位置及加載角度等進行有限元分析；結果表明，系泊點位置的變化對抗拔錨樁的承載性能有較大的影響；其最佳系泊點位置需要根據實際工程情況而定。改變加載角度對抗拔錨樁的承載性能影響很大，并且發現在一定的加載角度范圍內，其抗拔承載性能會有較好的發揮。

（5）鑒于ABAQUS軟件在抗拔錨樁研究上的應用；抗拔錨樁的承載性能研究需要綜合考慮各影響因素之間的影響關系，并且結合實際工程情況以深入研究抗拔錨樁的影響因素對承載性能的作用機理。

參考文獻：

[1]李颯，郝立忠，李忠剛.深海SPAR平臺錨泊系統和錨固基礎應用綜述[J].中國海洋平臺，2011，26（05）：6-10.

[2]王志.深海平臺錨固基礎抗拔承載特性數值分析[D].上海交通大學，2009.

[3]陳晶.基于ABAQUS的樁土共同作用的數值模擬[J].河南科學， 2009，27（08）：974-976.

[4]連興華.抗拔樁基承載性能分析[D].哈爾濱工業大學，2013.

[5]Vesic A S.Tests on instrumented piles，Ogeechee River site[J].Journal of Soil Mechanics & Foundations Div，1970， 96（2）：561-584.

作者簡介：林振良（1992-），男，廣西欽州人，碩士，研究方向：深海抗拔錨樁承載性能分析。