基于CEL法的海洋土體中樁基自沉及穩(wěn)定性分析

沈?qū)W明 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

彭芬 江西省港航設(shè)計(jì)院有限公司

海洋工程樁基沉樁基過(guò)程中，施工環(huán)境復(fù)雜惡劣，水平向的海流、波浪、大風(fēng)等作用的存在，使得沉樁過(guò)程中出現(xiàn)傾斜偏位等質(zhì)量事故；此外，在沉樁施工置錘瞬態(tài)過(guò)程，使用的打樁錘質(zhì)量大、能量高，又使得樁基易出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)的安全事故。因而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)樁基的自沉深度、傾斜度及穩(wěn)定性等安全施工的關(guān)鍵所在。

本文依托我國(guó)南海某海洋平臺(tái)工程，考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、工況組合，采用CEL法建立海洋軟土中樁基動(dòng)力沉樁過(guò)程的數(shù)值模型，分析樁基在自重、錘重載荷與水流力載荷下自沉深度、傾斜度及穩(wěn)定性，為該工程的設(shè)計(jì)與施工提供一定的指導(dǎo)意見(jiàn)。

1.工程概況及動(dòng)力沉樁技術(shù)要求

1.1 工程概況

某海洋平臺(tái)位于南海，采用鋼管樁作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，樁基基本規(guī)格如表1所示。該海域地質(zhì)情況如表2，平均水深20m，平均水流速度：0.5m/s。

1.2 動(dòng)力沉樁技術(shù)要求

海洋樁基平臺(tái)動(dòng)力沉樁問(wèn)題是一個(gè)涉及動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的綜合、復(fù)雜、系統(tǒng)的研究課題。本文研究過(guò)程中考慮沉樁施工流程以及施工控制指標(biāo)。為確保沉樁安全，合理預(yù)估施工控制參數(shù)，本文主要從以下幾方面展開(kāi)分析：樁基的自沉深度分析計(jì)算與穩(wěn)定性分析、樁基在錘重載荷下的下沉深度與穩(wěn)定性分析計(jì)算、計(jì)算分析錘入10m進(jìn)尺期間的穩(wěn)定性。

表1 樁基基本參數(shù)

表2 天然地基設(shè)計(jì)參數(shù)表

樁基滿(mǎn)足最小穩(wěn)定性要求：樁基不發(fā)生屈曲破壞，最終傾角≤1.25°。

1.3 CEL法技術(shù)模擬樁土作用

CEL法是ABAQUS中分析流固耦合的關(guān)鍵技術(shù)，它吸取了拉格朗日網(wǎng)格與歐拉網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，有效的解決了有關(guān)大變形和材料破壞的等諸多問(wèn)題。

目前，CEL方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于分析巖土工程中土-結(jié)構(gòu)耦合作用的大變形問(wèn)題。肖正龍基于CEL方法模擬了靜壓法沉樁的全過(guò)程；Chen等利用CEL大變形有限元計(jì)算技術(shù)，在均質(zhì)黏土中，系統(tǒng)考察了土體密度、楊氏模量對(duì)方形錨板極限承載力的影響；霍知亮等采用CEL法對(duì)黏土中的海底管線與土體之間的大變形問(wèn)題進(jìn)行了模擬研究等。可見(jiàn)，CEL法在模擬樁基下沉貫入分析時(shí)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.數(shù)值分析模型

2.1 模型建立

本文所建立的有限元模型主要包括：樁體和土體兩部分。建立土體模型時(shí)，考慮到土體的邊界效應(yīng)，同時(shí)參考相關(guān)已有文獻(xiàn)，土體的直徑取樁徑的10倍尺寸即：4.5m，土體深度方向尺寸取：45.8m，土體的材料模型選用：摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型。

單元?jiǎng)澐謺r(shí)，對(duì)本文所建立的有限元模型：樁體和土體兩部分，進(jìn)行獨(dú)立劃分，樁體采用C3D8r單元來(lái)模擬，土體采用歐拉單元EC3D8r來(lái)模擬。不同組件的單元?jiǎng)澐智闆r如表3所示，樁體單元和土體單元如圖1所示。

設(shè)置分析載荷步時(shí)，選用顯示動(dòng)力分析載荷步，樁體與土體之間采用“面面接觸”來(lái)實(shí)現(xiàn)它們之間的相互作用。

2.2 樁基自沉深度計(jì)算

在進(jìn)行樁基自沉深度計(jì)算時(shí)，土體的邊界條件為：約束土體側(cè)面的經(jīng)向自由度，約束土體底面的所有自由度，加載條件為：對(duì)樁體施加自重荷載。

經(jīng)計(jì)算，樁體在自重荷載作用下，在土體中發(fā)生下沉：下沉速度隨時(shí)間的增加逐漸增大，當(dāng)t=8s時(shí)，樁體下沉速度達(dá)最大，最大速度v=1m/s，由于樁體受到土體的摩阻力作用，當(dāng)t=8s之后，樁體下沉速度隨時(shí)間的增加而逐漸減小，當(dāng)t=16s時(shí)，樁體下沉速度達(dá)v=0.01m/s，當(dāng)t=20s時(shí)，樁體下沉速度幾乎為零；樁體的豎向位移隨時(shí)間的增加逐漸增大，t=0～8s之間時(shí)，位移增加的幅度隨時(shí)間的增加逐漸增大，t=8～16s之間時(shí)，位移增加的幅度隨時(shí)間的增加而逐漸減小，t=16～20s之間時(shí)，樁體的豎向位移幾乎達(dá)到一恒定值保持不變，可見(jiàn)，此時(shí)樁體已下沉穩(wěn)定。

由圖2可知，樁體在自重載荷下，最終沉降量為：10.67m。

2.3 樁體在錘重和水流荷載作用下的穩(wěn)定性計(jì)算

在樁體自沉穩(wěn)定計(jì)算的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行樁體在錘重和水流荷載作用下的穩(wěn)定性計(jì)算，土體的邊界條件為：約束土體側(cè)面的經(jīng)向自由度，約束土體底面的所有自由度，加載條件為：對(duì)樁體施加自重荷載，在樁頂施加60T重的錘重荷載和水流荷載。

對(duì)于水流荷載，水流荷載是鋼管樁承受的環(huán)境荷載之一，采用《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）的規(guī)范進(jìn)行水流荷載的計(jì)算，計(jì)算公式如下：

上式中：FW是水流力標(biāo)準(zhǔn)值；CW是水流阻力系數(shù)，取值1.0；ρ是水密度，海水取值1025kg/m3；V是水流設(shè)計(jì)流速，本計(jì)算海域情況取值0.5m/s；A是計(jì)算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積。

本文中的模型在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將水流荷載作用在樁體的側(cè)表面，按均布面荷載考慮。

計(jì)算結(jié)果：樁體在錘重和水流荷載作用下，樁體頂端的最大水平側(cè)移量為：0.406m（樁體的水平位移云圖如圖3所示），此時(shí)的傾斜角為：0.392°〈1.25°。故在傾斜穩(wěn)定性方面滿(mǎn)足技術(shù)要求。

2.4 樁體在錘擊荷載下進(jìn)尺10m時(shí)的穩(wěn)定性計(jì)算

樁體在錘擊荷載下進(jìn)尺10m時(shí)，進(jìn)行樁體在錘重和水流荷載作用下的穩(wěn)定性計(jì)算，土體的邊界條件為：約束土體側(cè)面的經(jīng)向自由度，約束土體底面的所有自由度，加載條件為：對(duì)樁體施加自重荷載，在樁頂施加60T重的錘重荷載和水流荷載。

計(jì)算結(jié)果：樁體在錘擊荷載下進(jìn)尺10m時(shí)刻，樁體在錘重和水流荷載作用下，樁體頂端的最大水平側(cè)移量為：0.17m（樁體的水平位移云圖如圖4所示），此時(shí)的傾斜角為：0.2°＜1.25°。故在穩(wěn)定性方面滿(mǎn)足要求。

表3 不同組件的單元?jiǎng)澐智闆r

圖1 樁體及土體有限元模型

圖2 樁體自沉的豎向位移云圖

圖3 錘重和水流荷載作用下樁體的水平位移云圖

圖4 樁體在錘擊荷載下進(jìn)尺10m時(shí)的水平位移云圖

3.結(jié)論

本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，采用CEL法模擬海洋軟土中細(xì)長(zhǎng)樁基自沉及在打樁錘錘擊過(guò)程中樁基的下沉與屈曲穩(wěn)定性，為工程建設(shè)提供必要的參考。得出的主要結(jié)論如下：

（1）樁體在自重荷載作用下，在土體中發(fā)生下沉，下沉速度隨時(shí)間的增加逐漸增大，當(dāng)t=8s時(shí)，樁體下沉速度達(dá)最大，最大速度v=1m/s，由于樁體受到土體的摩阻力作用，當(dāng)t=8s之后，樁體下沉速度隨時(shí)間的增加而逐漸減小，當(dāng)t=16s時(shí)，樁體下沉速度達(dá)v=0.01m/s，當(dāng)t=20s時(shí)，樁體下沉速度幾乎為零。樁體的豎向位移隨時(shí)間的增加逐漸增大，t=0～8s之間時(shí)，位移增加的幅度隨時(shí)間的增加逐漸增大，t=8～16s之間時(shí)，位移增加的幅度隨時(shí)間的增加而逐漸減小，t=16～20s之間時(shí)，樁體的豎向位移幾乎達(dá)到一恒定值保持不變，可見(jiàn)，此時(shí)樁體已下沉穩(wěn)定，樁體在自重載荷下，最終沉降量為：10.67m。

（2）樁體在錘重和水流荷載作用下，樁體頂端的最大水平側(cè)移量為：0.406m，此時(shí)的傾斜角為：0.392°＜1.25°，所以可知，在穩(wěn)定性方面滿(mǎn)足要求。

（3）樁體在錘擊荷載下進(jìn)尺10m時(shí)刻，樁體在錘重和水流荷載作用下，樁體頂端的最大水平側(cè)移量為：0.17m，此時(shí)的傾斜角為：0.2°＜1.25°，所以可知，在穩(wěn)定性方面滿(mǎn)足要求。