樁端約束力對(duì)鋼管樁自由站立穩(wěn)定性的影響

王景貴

(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東深圳 518052)

近年來，隨著海洋石油及天然氣資源的開發(fā)，海洋結(jié)構(gòu)物逐漸向深海發(fā)展，在海洋工程中應(yīng)用廣泛的鋼管樁基礎(chǔ)呈現(xiàn)出大直徑、超長(zhǎng)的特點(diǎn)。由于鋼管樁樁徑增大及承載力的提高，在打樁過程中選用的打樁錘能量增大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)樁的自由站立穩(wěn)定性進(jìn)行校核，保障打樁系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對(duì)鋼管樁的自由站立穩(wěn)定性問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了眾多研究。陳波等［1］對(duì)某工程中樁基發(fā)生自由站立失穩(wěn)的事故進(jìn)行了分析，為工程技術(shù)人員提供了設(shè)計(jì)參考。劉潤(rùn)等［2-5］采用有限元方法模擬了樁的自由站立穩(wěn)定性問題，對(duì)自由站立穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行了分析。董偉［6］研究了API規(guī)范與Timoshenko彈性穩(wěn)定理論在分析鋼管樁自由站立穩(wěn)定性時(shí)的差異。趙亮［7］采用有限元方法與Timoshenko彈性穩(wěn)定理論對(duì)比分析了鋼管樁的自由站立穩(wěn)定性。周龍等［8］考慮了波流荷載的動(dòng)力聯(lián)合作用，采用動(dòng)力數(shù)值模擬方法分析了大直徑鋼管樁的自由站立穩(wěn)定性。目前的研究中，對(duì)不同樁端約束條件的分析較少，本文采用數(shù)值模擬方法分析不同樁端約束及地基土體參數(shù)對(duì)鋼管樁自由站立穩(wěn)定性的影響，并與Timoshenko彈性穩(wěn)定理論進(jìn)行對(duì)比，提出了對(duì)工程設(shè)計(jì)有參考價(jià)值的建議。

1 數(shù)值分析方法

1.1 數(shù)值分析模型

采用有限元軟件ABAQUS分析鋼管樁的自由站立穩(wěn)定性。建立直徑D=2.8 m鋼管樁模型，樁長(zhǎng)L=70 m，壁厚δ=70 mm，自由站立段高度60 m，入土樁長(zhǎng)10 m，密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.26，采用彈塑性本構(gòu)模型。工程現(xiàn)場(chǎng)平均海水深度為70 m，最大波高為2.78 m，周期為7.0 s，海流頂層流速為0.65 m/s，底層流速為0.3 m/s。由于鋼管樁自由站立高度為60 m，打樁作業(yè)為水下施工，僅考慮波浪和海流荷載，通過計(jì)算可得作用于樁頂?shù)乃胶奢d為89.0 kN，彎矩荷載為－1 168.9 kN·m。樁端約束采用考慮固定端約束和考慮樁土相互作用兩種情況。樁端為固定端約束時(shí)，鋼管樁模型下端固定，上端自由，懸臂段高度為60 m?？紤]樁土相互作用時(shí)，鋼管樁懸臂段高度為60 m，入土10 m。土體模型尺寸采用高度為100 m，直徑為100 m的圓柱形，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，容重 γ=17 kN/m3，側(cè)限壓縮模量 Es=20 MPa，粘聚力 c=30 kPa，內(nèi)摩擦角φ=20°，泊松比μ=0.3。樁土之間的摩擦系數(shù)取0.5，數(shù)值分析模型如圖1所示。

1.2 數(shù)值分析結(jié)果

在ABAQUS中采用Riks法分析不同樁端約束條件模型的自由站立穩(wěn)定性，樁頂豎向荷載隨樁頂水平位移的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，采用固定端約束時(shí)樁頂豎向荷載為73.9 MN時(shí)樁頂水平位移發(fā)散，說明屈曲荷載為73.9 MN，而考慮樁土相互作用時(shí)屈曲荷載為33.3 MN。由于固定端對(duì)鋼管樁約束作用較強(qiáng)，在實(shí)際工程中假設(shè)樁底為固定端約束分析鋼管樁的自由站立穩(wěn)定性時(shí)，計(jì)算的屈曲荷載偏大，因此在數(shù)值分析中應(yīng)充分考慮樁土相互作用的影響。

圖1 數(shù)值分析模型

圖2 樁頂豎向荷載隨樁頂水平位移的變化曲線

1.3 數(shù)值分析方法與Timoshenko法對(duì)比

董偉［6］，趙亮［7］應(yīng)用Timoshenko彈性穩(wěn)定理論分析了鋼管樁的自由站立穩(wěn)定性。對(duì)于桿件底端固定，頂端為自由端，考慮桿件自重作用以及樁頂端受到外荷載作用時(shí)的屈曲荷載Pcr可按下式計(jì)算:其中，E為鋼管樁的彈性模量;I為鋼管樁截面對(duì)形心軸的最小慣性矩;l為自由站立段高度;q為樁身自重均布荷載。采用Timoshenko法計(jì)算數(shù)值分析中鋼管樁模型的屈曲荷載，并與數(shù)值分析中的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 屈曲荷載計(jì)算值對(duì)比

由表1可知，Timoshenko法與采用固定端約束的數(shù)值分析結(jié)果較為相符，兩種方法在計(jì)算中均假設(shè)樁端為固定端約束。而Timoshenko法計(jì)算的樁身屈曲荷載約為考慮樁土相互作用的數(shù)值分析結(jié)果的2.4倍，計(jì)算的結(jié)果偏于危險(xiǎn)。

2 土體強(qiáng)度參數(shù)對(duì)自由站立穩(wěn)定性的影響

2.1 粘聚力的影響

為研究粘聚力c對(duì)鋼管樁自由站立穩(wěn)定性的影響，在數(shù)值分析中 c分別取 20 kPa，25 kPa，30 kPa，35 kPa 和 40 kPa，采用 Riks法計(jì)算臨界屈曲荷載，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，鋼管樁的樁身屈曲荷載隨地基土體粘聚力的改變而變化，當(dāng)粘聚力增大時(shí)，樁身的屈曲荷載增大，樁身的自由站立穩(wěn)定性提高。

2.2 內(nèi)摩擦角的影響

為研究?jī)?nèi)摩擦角φ對(duì)鋼管樁自由站立穩(wěn)定性的影響，在數(shù)值分析中 φ 分別取10°，15°，20°，25°和30°，采用 Riks法計(jì)算臨界屈曲荷載，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，鋼管樁的樁身屈曲荷載隨地基土體內(nèi)摩擦角的改變而變化，當(dāng)內(nèi)摩擦角增大時(shí)，樁身的屈曲荷載增大，樁身的自由站立穩(wěn)定性提高。

圖3 粘聚力對(duì)屈曲荷載的影響

圖4 內(nèi)摩擦角對(duì)屈曲荷載的影響

3 結(jié)語

基于數(shù)值方法分析了不同樁端約束條件及地基土體參數(shù)對(duì)鋼管樁自由站立穩(wěn)定性的影響，并與Timoshenko彈性穩(wěn)定理論進(jìn)行了對(duì)比，具體結(jié)論如下:

1)進(jìn)行自由站立穩(wěn)定性分析時(shí)，假設(shè)樁端為固定端約束與實(shí)際約束情況不符。由于固定端對(duì)鋼管樁約束作用較強(qiáng)，假設(shè)樁底為固定端約束時(shí)計(jì)算的屈曲荷載偏大。2)Timoshenko法計(jì)算的屈曲荷載與采用固定端約束時(shí)數(shù)值分析的結(jié)果較為相符，而與考慮樁土相互作用的數(shù)值分析結(jié)果相比為其2.4倍。3)鋼管樁的自由站立穩(wěn)定性與地基土體的性質(zhì)有關(guān)，樁身屈曲荷載隨粘聚力及內(nèi)摩擦角的改變而變化，當(dāng)土體粘聚力或內(nèi)摩擦角增大時(shí)，樁身的屈曲荷載均隨之增大，樁身的自由站立穩(wěn)定性提高。

［1］陳 波，閆澍旺，樊之夏.樁基平臺(tái)樁的可打入性和自由站立強(qiáng)度分析［J］.中國海上油氣(工程)，2001，13(6):1-5.

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［7］趙 亮.海洋石油平臺(tái)大直徑超長(zhǎng)樁貫入特性及原位測(cè)試研究［D］.天津:天津大學(xué)博士論文，2012.

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