海洋平臺大直徑鋼管樁打樁過程有限元的研究

沈錦寧,楊 樂

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,杭州 310014;2.徐州市市政設計院有限公司,江蘇 徐州 221000）

海洋平臺大直徑鋼管樁打樁過程有限元的研究

沈錦寧1,楊 樂2

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,杭州 310014;2.徐州市市政設計院有限公司,江蘇 徐州 221000）

在發(fā)展速度極快的當今社會，無論是海上工程還是其他工程，整體規(guī)模普遍呈現出逐漸增大的趨勢，這是社會發(fā)展的必然結果，工程作業(yè)難度自然也會有所提升。文章以海洋平臺作為研究活動開展的背景，首先根據實際情況建立了相應的有限元模型，并應用PLAXIS軟件對滿足不同條件的打樁過程進行了相應的動力模擬分析，然后通過理論與實際相結合的方式，針對有限元模型所開展試驗得出的結果進行分析，最終得出了相應的結論，供相關人員參考。

海洋平臺；大直徑鋼管樁；打樁過程；有限元模型

0 引言

隨著海洋工程發(fā)展速度的逐漸加快，海上工程規(guī)模普遍呈現除了增大的趨勢，因此，為了對海洋工程具有的需要進行最大程度的滿足，在對樁基進行設計時，設計人員往往會將大直徑、大長度鋼管樁作為首選，打樁過程的復雜程度便會隨之增加。有限元法在對涉及復雜邊界、非線性等條件的問題進行處理時，具有十分明顯的優(yōu)勢，將其應用在對打樁過程進行分析的過程中，能夠在一定程度上提升在海洋平臺上開展的大直徑鋼管樁打樁工作的準確性。

1 建立有限元模型

作為典型的動力過程，在對打樁過程進行動力分析時，較常應用的軟件為PLAXIS軟件。受動力荷載作用影響，在特定時刻，系統動力平衡方程如下：

在上文所提及的方程式中，M代表的是系統總質量矩陣；C代表的是系統阻尼矩陣；K代表的是系統剛度矩陣；{δ2}代表的是結點加速度；{δ1}代表的是結點速度；{δ}代表的是結點位移向量；{F(t)}代表的是荷載向量。系統總質量矩陣M與系統剛度矩陣K的共同點在于，二者均是通過對所對應單元質量矩陣與單元剛度矩陣進行集合的方式而建立起來的，與二者不同的是，系統阻尼矩陣C的建立則需要其他參數的參與[1]。但是由于系統阻尼矩陣所需參數往往無法通過試驗的方式得出，因此，在有限元模型中，系統阻尼矩陣C通常作為系統總質量矩陣M與系統剛度矩陣K所對應的函數而存在，具體方程式如下：

在上文所提及的方程式中，α和β代表的是比例系數。需要注意一點，在應用二維軸對稱的有限元模型對打樁過程進行模擬時，由于所選取有限元模型較大，因此，對所采用約束模式具有一定的要求：兩側邊界所采用約束模式應為水平約束，底部邊界所采用約束模式則將固定約束作為首選。作為典型的動力問題，打樁過程中，土體內部往往會激起相應的振動波，但是由于土體的實質為半無限大介質，所以，相關人員應當將吸收邊界在遠場域進行設置，這樣做的目的是避免模型邊界處出現振動波反射的情況，保證試驗結果的準確性。除此之外，將吸收邊界分別設置在有限元模型的底部和右側也是很有必要的。

2 對試驗結果進行分析

2.1 打樁過程中土體的響應

本文在對土體在連續(xù)打樁過程中發(fā)生的變化進行研究時，所采取的研究方法為：以不排水為前提，連續(xù)三次對樁體進行力度恒定的錘擊，在完成相關試驗后，對土體響應進行分析，具體分析結果如下：

2.1.1 土體位移情況

通過對連續(xù)錘擊后土體發(fā)生水平、豎向位移所對應云紋圖進行分析能夠看出，豎向位移最大的區(qū)域為樁端處，另外，發(fā)生豎向位移的區(qū)域還包括土塞。實踐結果表明，若所應用鋼管樁的樁徑＞1200mm，那么，土塞通常情況下不會在打樁過程中出現閉合的現象。受樁體擠土作用影響，位于樁端下部區(qū)域內的土體，往往會沿著徑向進行水平移動，移動距離則隨著與樁端距離的縮進而增大。在連續(xù)錘擊的過程中，位于樁端區(qū)域的土體豎向的位移會隨著錘擊數量的增多和加大，另外，位于樁外側區(qū)域的土體，也會出現一定程度上的位移。

2.1.2 超孔隙水壓力

通過實踐能夠發(fā)現，樁周土體內部會伴隨著打樁過程產生超孔隙水壓力，越靠近樁端處的土體，其內部所產生超孔隙水壓力就會越大，換句話說，產生超孔隙水壓力的部分主要集中在樁端以及土塞下半部分這兩個區(qū)域、在連續(xù)打樁的過程中，隨著超孔隙水壓力的積累，受其影響的區(qū)域也就會變得越來越大，具體表現為：由最初的土塞下半部分向上半部分擴展，由最初的中心區(qū)域向四周擴展。當然，隨著超孔隙水壓力所在區(qū)域和樁軸線之間距離的逐漸增加，壓力數值也會有所衰減，但是其影響范圍始終被控制在樁徑3倍這一范圍內。

2.2 受錘擊力作用，樁頂的加速度、速度和豎向位移

在對樁頂加速度、速度和豎向位移的變化進行研究時，如果想要保證研究結果的準確性，關鍵在于對樁頂錘擊力所對應振幅的數值進行設定，本文將振幅F設為20000kPa、40000kPa和60000kPa，再以此為基礎，對受不同錘擊力作用產生的樁頂加速度、速度和豎向位移數值進行研究。

研究結果表明，首先，樁體位移只有達到最大數值并發(fā)生回彈后，才能夠趨于穩(wěn)定，與回彈量密切相關的因素主要為土體性質；其次，樁體位移所具有的滯后效應也是較為明顯的；最后，樁體貫入量往往會隨著錘擊力的增加而增大。另外，受土體抗力影響，樁體會在樁頂荷載數值減小至零時產生相應的反向加速度，但加速度數值并非產生之初就十分穩(wěn)定的，而是需要經過幾次波動，才能趨于穩(wěn)定；若錘擊力增加，樁頂的加速度以及速度數值也會有所增加，想要達到穩(wěn)定狀態(tài)需要花費的時間也更長。

3 結論

通過對上文所敘述的內容進行分析可以發(fā)現，對大規(guī)模海上工程而言，大直徑、大長度鋼管樁是在對樁基進行設計時不可或缺的部分，在對大直徑鋼管樁進行打樁時，往往需要涉及到邊界非線性、幾何非線性等傳統打樁工作涉及不到的復雜問題，打樁難度也隨之增加。文章主要對打樁過程中土體響應、樁頂加速度、速度和豎向位移這幾個方面的內容進行了分析，希望能夠在某些方面為海洋平臺上針對大直徑鋼管樁所開展的打樁工作提供幫助。

[1]劉劍濤,李颯.海洋平臺大直徑鋼管樁打樁過程有限元分析研究[J].海洋工程,2015(3306):90-94.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.092