平臺樁靴攻角對海床土體破壞模式數(shù)值分析

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(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院, 山東 青島 266100)

0 引 言

在近海石油勘探和開發(fā)過程中，自升式平臺是一種常用的移動平臺結(jié)構(gòu)形式。此類海洋工程結(jié)構(gòu)的共同特點是在海底基礎(chǔ)上依靠樁靴和樁腿支持。為了使樁腿和平臺準(zhǔn)確定位于海床作業(yè)點，樁靴底部結(jié)構(gòu)形式往往不是平面的，而是具有一定角度的，在工程上一般稱為樁靴攻角。樁靴攻角的存在使樁靴與海床接觸面不再是傳統(tǒng)的平面。目前，國內(nèi)外采用的基礎(chǔ)極限承載力理論大多基于Prandtl或Terzaghi地基失穩(wěn)模式，即假定剛性基礎(chǔ)與海床接觸面為平面。上述情況使傳統(tǒng)地基承載力計算公式在用于求解帶攻角的樁靴承載力時具有一定的局限性。

國外科研機構(gòu)和海洋平臺設(shè)計規(guī)范[1]在計算在軟黏土海床上的樁靴極限承載能力時，往往采用條形基礎(chǔ)承載能力計算公式對樁靴結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何簡化，或?qū)４驳鼗馏w破壞機理進(jìn)行適當(dāng)人為簡化，使用Prandtl、SKEMPTON[2]等半經(jīng)驗計算公式確定樁靴的承載能力和插樁深度。針對樁靴攻角對承載能力的影響，目前研究尚不夠深入。MARTIN等[3]和HOULSBY等[4]分析基礎(chǔ)埋深、錐角變化、強度變化等參數(shù)對承載力的影響規(guī)律，對現(xiàn)有承載力計算公式進(jìn)行合理修正。張浦陽等[5]詳細(xì)研究飽和軟黏土海床上樁靴與樁周土體的流固耦合機理，給出插樁過程中基礎(chǔ)極限承載能力和貫入深度。張其一[6]利用有限元法對樁靴貫入海床過程中樁周土體的變形規(guī)律進(jìn)行較為詳細(xì)的研究，分析在插樁過程中樁坑的形成過程，并給出了樁靴周圍土體的回流規(guī)律。張兆德等[7]采用數(shù)值方法分析土體物理力學(xué)參數(shù)對樁靴周圍土體變形規(guī)律的影響，認(rèn)為摩擦角對樁靴承載能力的影響較為顯著。

圖1 樁靴攻角示例

在前人研究成果基礎(chǔ)上，本文基于土體塑性極限平衡原理，利用有限元分析軟件ABAQUS，采用固-液兩相的流固耦合理論，對樁靴周圍土體的變形規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析，揭示樁靴周圍土體的失穩(wěn)機理，并給出簡易的樁靴承載能力計算公式。

1 有限元分析

圖2 有限元計算模型

為了進(jìn)一步從變形規(guī)律和失穩(wěn)機理角度研究樁靴極限承載能力，本文利用有限元分析軟件ABAQUS對自升式平臺樁靴極限承載能力進(jìn)行數(shù)值分析。針對不同的攻角δ，本文進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值計算。

考慮到樁靴模型(見圖1)在幾何上為軸對稱結(jié)構(gòu)，建立的有限元模型如圖2所示。假定半徑為R的樁靴作用在不排水飽和軟黏土海床上，土體采用基于Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，樁靴表面與海床土體間假定為完全光滑和完全粗糙兩種情況，采用接觸面單元控制。為了與上述理論推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行對比，按照二維平面應(yīng)變問題進(jìn)行數(shù)值分析；為了降低在有限元計算過程中地基土體模型的邊界效應(yīng)，海床地基側(cè)向?qū)挾热?0R，深度取20R。有限元數(shù)值計算模型如圖2a)所示，圖中RP為樁靴模型加載荷參考點，Q為樁靴所受豎向荷載。針對不排水飽和軟黏土體積不可壓縮的特性，本文采用二階8節(jié)點雜交單元和減縮積分技術(shù)消除在數(shù)值計算過程中完全積分單元的“剪力自鎖”現(xiàn)象[8]。

在自升式海洋平臺實際作業(yè)過程中，相比海床軟黏土而言剛性樁靴強度非常大，完全可被認(rèn)為是剛性體。在本文有限元數(shù)值計算過程中，飽和軟黏土海床物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

為了研究在不同攻角情況下樁靴插樁入泥過程中的變形規(guī)律和極限承載能力，本文詳細(xì)研究cotδ=0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75、2.00等8種工況。

表1 飽和軟黏土物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值結(jié)果

2.1 樁靴表面光滑

在自升式平臺樁靴表面光滑情況下，樁靴周圍土體塑性剪切變形規(guī)律如圖3所示。

圖3 樁靴表面光滑情況下土體塑性變化規(guī)律

圖4 光滑樁靴周圍土體失穩(wěn)模式

圖5 光滑樁靴承載能力隨攻角變化規(guī)律

對上述8種工況的數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，樁靴周圍土體變形規(guī)律可以劃分為如圖4所示的3部分：(1)與樁靴接觸的主動破壞區(qū)土體AEO，(2)樁靴左邊被動區(qū)土體ACD，(3)介于AEO與ACD之間的塑性約束變形區(qū)ADE。根據(jù)圖3所示的土體變形規(guī)律，本文給出如圖4所示的土體失穩(wěn)模式，并對在樁靴攻角δ變化情況下的極限承載能力進(jìn)行總結(jié)，如圖5所示。針對數(shù)值計算結(jié)果，本文給出考慮樁靴攻角變化情況的樁靴極限承載力計算公式為

Q=4R·Su(1+δ)

(1)

對圖3～圖5分析發(fā)現(xiàn)：(1) 隨著cotδ的逐漸增大，塑性約束區(qū)ADE逐漸變小，剛性破壞區(qū)AEO、ACD逐漸增大；(2) 隨著cotδ的逐漸增大，樁靴極限承載能力呈現(xiàn)非線性降低趨勢，表明樁靴周圍土體對樁靴產(chǎn)生的阻力逐漸減小；(3)在樁靴插樁過程中，在樁靴攻角尖點O與樁靴外側(cè)處A出現(xiàn)應(yīng)力奇異，最先發(fā)生塑性破壞。

2.2 樁靴表面粗糙

在自升式平臺樁靴表面粗糙情況下，樁靴周圍土體塑性剪切變形規(guī)律如圖6所示。

由圖6所示的樁靴周圍土體變形規(guī)律可知：當(dāng)樁靴表面完全粗糙時樁靴將驅(qū)動與之接觸的土體一起運動，當(dāng)克服接觸面間的摩擦阻力時樁靴將沿著土體接觸面發(fā)生錯動，因此樁靴下部土體不再發(fā)生主動破壞，而是發(fā)生塑性擠壓-剪切破壞。本文給出如圖7所示的土體破壞模式，包括：(1) 樁靴底部塑性約束擠壓-剪切變形區(qū)BOF；(2) 樁靴端部剛性被動破壞區(qū)BFG。

圖6 樁靴表面粗糙情況下土體塑性變化規(guī)律

圖7 粗糙樁靴周圍土體失穩(wěn)模式

3 結(jié) 論

采用數(shù)值計算軟件，對在不同樁靴攻角情況下的極限承載能力進(jìn)行數(shù)值分析，詳細(xì)研究樁靴周圍土體的變形規(guī)律。在上述研究結(jié)果基礎(chǔ)上，本文給出了樁靴周圍土體的失穩(wěn)模式，并給出了較為實用的樁靴承載力計算公式，得出如下結(jié)論：

(1) 本文給出的樁靴周圍土體失穩(wěn)模式是一種滿足變形協(xié)調(diào)、運動許可的破壞模式，能反映在攻角變化情況下樁周土體的變形規(guī)律。

(2) 本文給出的樁靴極限承載能力擬合公式能擬合本文數(shù)值計算結(jié)果，對深入研究樁靴極限承載能力有一定的理論參考價值。