基于ABAQUS的抗拔錨樁承載性能技術(shù)研究

林振良++陳大維

摘 要：為了更好地應(yīng)用抗拔錨樁，利用ABAQUS軟件對(duì)抗拔錨樁進(jìn)行數(shù)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(duì)抗拔錨樁承載性能的影響；研究發(fā)現(xiàn)，這些影響因素對(duì)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(tái)錨固系統(tǒng)的研究提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)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(chǎn)生的內(nèi)摩擦力及樁底與土體間產(chǎn)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(xué)者對(duì)國(guó)外近年來的海洋石油平臺(tái)的錨固系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)有大多數(shù)的錨固基礎(chǔ)為樁基[1]。王志（2009）等學(xué)者研究表明土體強(qiáng)度越大，樁的抗拔承載性能越強(qiáng)[2]。因此，研究抗拔錨樁的承載性能影響因素對(duì)我國(guó)海洋平臺(tái)的發(fā)展具有相當(dāng)重要的實(shí)際工程意義。

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

1 數(shù)值建模

本文參考Vesic（1970）等學(xué)者現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料[5]，應(yīng)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(nèi)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(zhǎng)）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(zhǎng)15. 01 m，樁直徑為0. 453 m；樁-土模型如圖1。分析步設(shè)置地應(yīng)力平衡分析步和荷載分析步（包括靜荷載和動(dòng)荷載）；樁側(cè)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(cè)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(jié)點(diǎn)六面體線性縮減單元 C3D8R劃分網(wǎng)格，以減少計(jì)算誤差。

對(duì)此樁-土模型進(jìn)行驗(yàn)證，提取數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，抗拔樁承受豎直拉拔荷載1513.95KN時(shí)，樁體位移為14.44mm；與Vesic現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果極限承載力為1537.6KN非常接近；驗(yàn)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(chǔ)，通過以抗拔錨樁的影響因素為研究對(duì)象，分析抗拔錨樁的承載性能。

2 數(shù)值分析

（1）應(yīng)用ABAQUS軟件建立了樁土相互作用的三維有限元數(shù)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(duì)抗拔錨樁承載性能影響的技術(shù)研究，并且在ABAQUS軟件數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，以影響因素為變量，對(duì)比分析抗拔錨樁的承載性能。

（2）通過對(duì)樁的彈性模量、泊松比及長(zhǎng)徑比等因素分別進(jìn)行有限元分析。結(jié)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(diǎn)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(cè)摩阻力進(jìn)而影響樁的承載性能；在樁體有足夠強(qiáng)度的情況下，樁的長(zhǎng)徑比越大，則承載性能越強(qiáng)。

（3）通過對(duì)樁基土體的彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角及粘聚力等參數(shù)進(jìn)行有限元分析；分析發(fā)現(xiàn)，這些土體參數(shù)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(qiáng)度及樁側(cè)摩阻力以影響抗拔錨樁的承載性能。

（4）根據(jù)抗拔錨樁的受力特點(diǎn)及復(fù)雜的海洋環(huán)境，對(duì)系泊點(diǎn)位置及加載角度等進(jìn)行有限元分析；結(jié)果表明，系泊點(diǎn)位置的變化對(duì)抗拔錨樁的承載性能有較大的影響；其最佳系泊點(diǎn)位置需要根據(jù)實(shí)際工程情況而定。改變加載角度對(duì)抗拔錨樁的承載性能影響很大，并且發(fā)現(xiàn)在一定的加載角度范圍內(nèi)，其抗拔承載性能會(huì)有較好的發(fā)揮。

（5）鑒于ABAQUS軟件在抗拔錨樁研究上的應(yīng)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(guān)系，并且結(jié)合實(shí)際工程情況以深入研究抗拔錨樁的影響因素對(duì)承載性能的作用機(jī)理。

參考文獻(xiàn)：

[1]李颯，郝立忠，李忠剛.深海SPAR平臺(tái)錨泊系統(tǒng)和錨固基礎(chǔ)應(yīng)用綜述[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2011，26（05）：6-10.

[2]王志.深海平臺(tái)錨固基礎(chǔ)抗拔承載特性數(shù)值分析[D].上海交通大學(xué)，2009.

[3]陳晶.基于ABAQUS的樁土共同作用的數(shù)值模擬[J].河南科學(xué)， 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(yè)大學(xué)，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(jiǎn)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。