多種自升式海洋平臺樁靴上拔過程仿真分析

李永正，孫曉鵬，謝仁杰，唐焱彬，王 哲，李晨鵬，卞 超

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

拔樁的難易程度是衡量自升式平臺總體性能優劣的重要指標之一，它對平臺的機動性能以及平臺的安全都有重要的影響，因此順利拔出插入泥土中的樁靴是保證自升式平臺安全的基本要求。本文根據ABS規范，以JU2000E自升式平臺為研究對象，通過建立樁靴與土的模型，進行3種樁靴形式的拔樁力研究，利用有限元分析軟件LS-DYNA完成3種樁靴上拔過程的仿真分析，獲得不同樁靴結構形式在拔樁過程中上拔力等特性，并把計算結果和經驗公式計算結果進行對比分析。

1 圓形樁靴上拔力數值模擬

1.1 樁靴與土模型

為了更好地模擬樁靴上拔過程中擠壓周圍土體的整個過程，本文在樁靴模型上方建立了土體模型，對土體模型進行網格劃分時取0.5 m，樁靴下部分的土體模型取2 m，圓弧邊進行8等分的細化。建立1/4樁靴模型以及單層土作為樁靴上拔過程的研究對象，拔樁模型如圖1所示。

圖1 拔樁模型Fig. 1 Pulling pile model

1.2 模型參數設置

樁靴的材料主要采用AH36、DH36和EH36鋼，在3個主艙壁和樁腿連接處采用EQ70高強度鋼。其中AH36，DH36和EH36材料的屈服強度為355 MPa，考慮安全系數為1.1，所以許用屈服強度為320 MPa；EQ56材料的屈服強度為690 MPa，安全系數為1.11，得到許用屈服強度為621 MPa。利用Ansys Workbench中的LS-DYNA進行拔樁數值模擬時，根據國內學者選取過的參數設置，土體、鋼的主要參數及樁靴尺寸如表1所示。

表1 材料及尺寸參數設置Tab. 1 Material and size parameter settings

1.3 邊界條件設置及接觸

海底的底基對樁靴的作用是非線性接觸，但這種施加約束的方法不便在工程實際中操作和實施。本文綜合考慮了各種因素，將均布載荷施加到樁靴底部，在樁靴整體模型的頂部3個支點處采用簡支。土體采用六面體單元劃分，邊界條件施加方式如下：土體模型底部做豎向約束，選擇底部2個面，使Z=0；土體模型側面施加位移約束，即橫向和豎向的面固定；對樁靴施加豎直方向的速度，使Z=0.3；頂面不施加約束，土體和樁靴之間共定義6組接觸對。

拔樁過程中，垂直向上的力有船體浮力和樁腿、樁靴浮力兩部分。垂直向下的力有4部分：樁腿、樁靴的重力、樁靴底部的吸附力、樁靴側面的摩擦阻力和樁靴上部覆土壓力。拔樁阻力包括樁靴底部的吸附力、樁靴側面的摩擦阻力、樁靴上部覆土作用力和被移動土體的側面阻力。現有的資料對樁土之間摩擦系數的探討尚未成熟，同時考慮到樁腿是細長構件，因此樁土之間的摩擦可以忽略。

1.4 計算結果分析

設置樁靴底部距離土體表面9 m，上拔速度為0.3 m/s，選取60 s作為整個上拔過程所需要的時間，選取不同時間點的上拔力，如表2所示。

經LS-DYNA準靜態計算得出樁靴上拔力與上拔時刻之間的相互關系（見圖2）和樁靴上拔過程中土體位移和樁靴上拔時間的相互關系（見圖3）。

從圖2可以看出，上拔力在10 s左右達到最大值，并在23 s以后開始減小，在40 s之后趨于0，樁靴被完全拔出。由于1/4模型的樁靴臨界上拔力為18 621 kN，所以整個樁靴的拔樁力為74 484 kN。從圖3可以看出，在相同時間內，拔樁速度越大，樁靴上拔的土體位移就越大，在這個過程中發生剪切變形的土壤就越多。因此，拔樁阻力會隨著速度的增大而增大。

表2 樁靴上拔時間與上拔力部分數值Tab. 2 Lifting time and pull-out force of the pile shoe

圖2 樁靴上拔力與上拔時間相互關系Fig. 2 Relationship between pull-out force and pull-up time of pile shoes

圖3 土體位移和樁靴上拔時刻關系Fig. 3 Relationship between soil displacement and pulling time of pile shoes

1.5 不同時刻拔樁土體流動機制分析

圖4為平臺拔樁過程中土體流動的情況，樁靴周圍為土體流動機制的主要分析區域。

圖4 不同時刻土體流動情況Fig. 4 Soil flow at different Times

從圖4可以看出，在拔樁初期，由于樁靴埋的位置較深，土壤破壞只是發生在樁靴的周圍，樁靴上表面的土壤在上拔力影響下發生剪切，沿著樁靴側表面流動至樁靴底部；11 s之后，由于此時樁靴距離土壤表面較近，因此在剪切力的作用下破壞面從樁靴一直延續到土壤表面，在表面形成隆起，直至拔樁作業結束。

綜上所述，拔樁過程中的土壤流動機制可以分為2種狀態：淺基礎狀態下，土壤只產生空腔和表面的隆起；深基礎狀態下，土壤會沿樁靴壁面形成土壤回流。

2 不同樁靴形式對樁靴上拔力影響研究

2.1 樁靴與土模型

為選取最佳樁靴形式,對正六邊形、正十二邊形2種樁靴的上拔力進行分析。正六邊形模型和正十二邊形模型參數、邊界條件和接觸對參考圓形樁靴進行設置，幾何模型和數值模型如圖5所示。

2.2 計算結果分析

圖5 三種樁靴形式幾何模型和數值模型Fig. 5 Geometric model and numerical model of three kinds of pile shoes

表3 三種樁靴不同時刻上拔力部分數值Tab. 3 Pull-out force values of three types of pile shoes at different times

3種樁靴上拔過程中相同時刻上拔力對比如表3所示。

經過LS-DYNA準靜態計算得出正六邊形、正十二邊形2種樁靴形式上拔過程中上拔力與上拔時刻的關系，3種樁靴形式的時間-上拔力對比曲線如圖6所示。

從表3和圖6中可以看出，圓形樁靴在11.4 s達到臨界狀態，臨界上拔力為18 621 kN，六邊形樁靴在9.3 s達到臨界狀態，臨界上拔力為16 654 kN，十二邊形樁靴在9.4 s達到臨界狀態，臨界上拔力為17 988 kN。對比可得，圓形樁靴所需的上拔力最大，相對于六邊形樁靴和十二邊形樁靴較難拔出，原因是圓形樁靴外圈圓為六邊形樁靴和十二邊形樁靴的外接圓，因此圓形樁靴的側表面積與泥土接觸比其他2種樁靴形式接觸面積大，導致圓形樁靴上拔力比其他2種樁靴大。

圖6 三種樁靴形式上拔力與上拔時間關系Fig. 6 Relationship between upper pull-out time and pull-out time of three kinds of pile shoes

經過LS-DYNA準靜態計算得出正六邊形、正十二邊形2種樁靴形式上拔過程中土體位移和樁靴上拔時間的相互關系，3種樁靴形式的時間-土體位移對比如圖7所示。

從圖7中可以看出拐點前后土體變形的速率發生了變化，但3種樁靴的土體位移和上拔時間曲線走勢基本一致，說明了土體的非線性特征。

2.3 不同樁靴形式土體流動機制分析

樁靴上拔過程中，不同樁靴形式在相同時刻土體發生不同的變化，選取正六邊形、正十二邊形2種樁靴上拔過程中幾個關鍵的時刻，提取土體位移隨時間變化的趨勢，如圖8～圖10所示。

對圖8～圖10分析可得，六邊形樁靴相比于另外2種樁靴更容易被拔出。3種樁靴拔出之后，圓形樁靴和六邊形樁靴所形成的空腔比十二邊形樁靴大，說明圓形樁靴和六邊形樁靴周圍土體發生的流動比十二邊形樁靴周圍發生的土體流動大

圖8 8.998 2 s時刻2種樁靴形式周圍土體變化情況Fig. 8 Changes of soil around the two pile shoes at 8.998 2 s

圖9 38 s時刻2種樁靴形式周圍土體變化Fig. 9 Changes of soil around the two pile shoes at 38 s

圖10 41.999 s時刻3種樁靴形式周圍土體變化Fig. 10 Changes of soil around the form of three pile shoes at 41.999 s

3 樁靴上拔阻力理論計算值與數值模擬結果比較

由于有限元模擬時沒有考慮樁腿摩擦力對拔樁力的影響，因此對樁靴上拔力理論計算的時候也忽略樁腿摩擦力對上拔力計算的影響。在樁靴最大上拔力的計算過程中，采用以下表達式：

3種樁靴理論計算結果和數值模擬結果如表4所示。

由表4可以看出，正六邊形樁靴上拔力理論計算值最小，圓形樁靴上拔力理論計算值最大，與數值模擬的結論一致。由于理論計算值沒有考慮土體和孔隙水的影響，導致計算結果偏小，因而與數值模擬計算結果有一定的偏差。

表4 圓形樁靴理論值與數值模擬結果比較Tab. 4 Comparison of theoretical values and numerical simulation results of circular pile shoes

4 結 語

本文利用Ls-dyna經過準靜態分析完成3種樁靴形式上拔力的計算，獲得了不同樁靴結構形式在拔樁過程中的特性，并把計算結果和經驗公式計算結果進行了對比分析：

1）通過對圓形樁靴與土體之間的模型分析，得知在樁靴上拔過程中，土體的變形主要發生的樁靴周圍，遠離樁靴的土體基本不發生變形。此外，通過研究樁靴上拔時刻與土體位移的關系，得知拔樁阻力會隨著速度的增大而增大。

2）通過計算、對比分析圓形樁靴、六邊形樁靴、十二邊形樁靴上拔過程中所需要的上拔力，得知圓形樁靴臨界上拔力最大，其次是十二邊形樁靴，六邊形樁靴最小。由此可知，樁靴上拔力隨著接觸面和側表面接觸面積的增大而增加。

3）采用公式Fu=NccuA+Asfs+Wg所計算的樁靴上拔力和LS-DYNA數值模擬的拔樁力進行比較，得知相對其他2種樁靴，圓形樁靴計算的理論值與數值模擬的差值更小，更接近實際情況。