基于CEL法的海洋自升式平臺(tái)插樁研究*

張湖賓 陳 晨

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

本文選取有限元方法來(lái)研究樁靴[1～3]的插樁，對(duì)比分析CEL方法在模擬樁靴插樁作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)有限元法，CEL計(jì)算結(jié)果更容易收斂且更加準(zhǔn)確。數(shù)值計(jì)算[4～5]的優(yōu)點(diǎn)在于它在計(jì)算中考慮到很多常規(guī)計(jì)算公式規(guī)范中沒(méi)有考慮到的問(wèn)題，比如海洋中地質(zhì)土層的不確定性、土體回流[6～9]情況、樁靴的結(jié)構(gòu)外形、穿刺問(wèn)題等。

通過(guò)比例試驗(yàn)驗(yàn)證CEL數(shù)值方法的可靠性。建立四個(gè)等比縮放的樁靴模型，在上砂下黏[10～14]土體條件下進(jìn)行模擬插樁。

探究裙擺型樁靴以及開(kāi)孔型樁靴相較于普通樁靴在插樁過(guò)程中的區(qū)別；接著深入研究裙擺長(zhǎng)度對(duì)于樁靴插樁的阻力變化，在裙擺長(zhǎng)度不超過(guò)樁靴底部最下端時(shí)，發(fā)現(xiàn)裙擺長(zhǎng)度對(duì)插樁整體阻力影響不明顯；比較開(kāi)孔不同半徑的四孔、六孔、八孔的樁靴對(duì)于插樁的影響。

2 插樁試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 樁靴模型制備

進(jìn)行插樁試驗(yàn)主要用以驗(yàn)證CEL法代替試驗(yàn)的可行性，制作了四個(gè)底部形狀不同的樁靴模型。

如圖1（a）、（b）、（c）、（d）所示，所用縮比模型均為實(shí)際樁靴的1/100，探求樁靴底部加裙擺、開(kāi)貫穿孔在上砂下黏土土基條件下的承載力大小以及穿刺風(fēng)險(xiǎn)等研究。

圖1 不同結(jié)構(gòu)的樁靴模型

2.2 CEL法模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)的樁靴進(jìn)行小比尺試驗(yàn)，得出了在“上砂下黏”雙層土基[15]下插樁阻力隨插樁深度[16～17]的變化曲線。并與相應(yīng)的 CEL 數(shù)值仿真的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)驗(yàn)證CEL數(shù)值仿真的可行性。下圖四個(gè)樁靴模型分別為普通型樁靴，用P簡(jiǎn)化表示，開(kāi)四孔型樁靴用S4簡(jiǎn)化表示，開(kāi)六孔型樁靴用S6簡(jiǎn)化表示，裙擺型樁靴用Q簡(jiǎn)化表示。這里采用的樁靴最大橫截面直徑D為60mm。

圖2表示普通型樁靴在試驗(yàn)和數(shù)值模擬中插樁深度阻力變化曲線對(duì)比圖，圖3表示開(kāi)四孔型樁靴在試驗(yàn)和數(shù)值模擬中插樁深度阻力變化曲線對(duì)比圖。圖4表示開(kāi)六孔型樁靴在試驗(yàn)和數(shù)值模擬中插樁深度阻力變化曲線對(duì)比圖。圖5表示裙擺型樁靴在試驗(yàn)和數(shù)值模擬中插樁插樁深度阻力變化曲線對(duì)比圖。

圖2 普通型樁靴插樁深度阻力曲線

圖3 開(kāi)四孔型樁靴插樁深度阻力曲線

圖4 開(kāi)六孔型樁靴插樁深度阻力曲線

圖5 裙擺型樁靴插樁深度阻力曲線

試驗(yàn)曲線和仿真數(shù)值分析曲線存在一定的誤差，這可能是由于在試驗(yàn)過(guò)程中土壤[18～19]的不排水抗剪強(qiáng)度的測(cè)量不準(zhǔn)確，包括土體彈性模量以及摩擦角、黏聚力的測(cè)量有一定的誤差，因此插樁阻力隨深度變化的曲線的實(shí)驗(yàn)值和數(shù)值仿真分析值具有一定的差異，但是可以很明顯地看到，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)四種不同結(jié)構(gòu)的樁靴和數(shù)值仿真曲線的趨勢(shì)大致相同，故本次試驗(yàn)可以由仿真進(jìn)行替代，為下文的分析提供了驗(yàn)證基礎(chǔ)。

3 不同樁靴結(jié)構(gòu)的仿真分析

上文驗(yàn)證了CEL方法替代試驗(yàn)的可行性，下面將對(duì)不同形狀的樁靴在上砂下黏地基條件下進(jìn)行研究。通過(guò)改變樁靴底面輪廓[20]、裙擺長(zhǎng)度和樁靴開(kāi)孔的數(shù)量來(lái)優(yōu)化基礎(chǔ)形狀。

3.1 數(shù)值仿真研究模型

本文樁靴裙擺的長(zhǎng)度選取L≤0.2D，裙擺長(zhǎng)度不超過(guò)樁靴最底端。當(dāng)裙擺長(zhǎng)度超過(guò)0.22D時(shí)，導(dǎo)致裙擺樁靴在插樁時(shí)裙擺的端承優(yōu)先貫入土體，因此本文選取裙擺長(zhǎng)度小于等于0.2D進(jìn)行研究。

由于過(guò)大的開(kāi)孔面積會(huì)影響樁靴自身強(qiáng)度，出于樁靴自身強(qiáng)度的考慮，本文選取開(kāi)孔數(shù)N分別為4、6、8。建立的裙擺不同長(zhǎng)度幾何模型分別由圖6所示。圖7表示不同開(kāi)孔數(shù)的樁靴幾何模型。

圖6 不同裙擺長(zhǎng)度樁靴幾何模型

圖7 不同開(kāi)孔數(shù)的樁靴幾何模型

3.2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

下面將對(duì)數(shù)值模擬分析的結(jié)果進(jìn)行討論分析，分別繪制出插樁阻力隨深度的阻力變化曲線。

由圖8可以發(fā)現(xiàn)不同裙擺長(zhǎng)度與普通型樁靴插樁阻力對(duì)比有一定明顯的區(qū)別，裙擺的長(zhǎng)度對(duì)插樁阻力隨深度變化曲線可以歸納為：樁靴剛進(jìn)入砂土層時(shí)，裙擺長(zhǎng)度對(duì)插樁阻力的影響不是非常明顯。隨著裙擺長(zhǎng)度的增加，裙擺達(dá)到阻力峰值的時(shí)間幾乎相等，之后阻力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。當(dāng)裙擺長(zhǎng)度為12mm（0.2D）時(shí)，裙擺的峰值阻力520N，比其它裙擺長(zhǎng)度的峰值阻力略大，但總體上來(lái)說(shuō)沒(méi)有明顯區(qū)別。同時(shí)發(fā)現(xiàn)裙擺長(zhǎng)度對(duì)于發(fā)生穿刺距離的影響不大。隨著插樁的進(jìn)行，下部的土塞存留在樁靴底部，當(dāng)插樁距離的增加，殘留的土體受到擠壓并且壓實(shí)要一定程度，裙擺樁靴的阻力增加的更快。

圖8 不同裙擺長(zhǎng)度隨插樁深度的阻力變化曲線

從圖9可以看到不同開(kāi)孔數(shù)量的樁靴隨深度變化曲線大致相同，開(kāi)孔數(shù)的不同并沒(méi)有對(duì)插樁規(guī)程土體的流動(dòng)造成很大影響。在上面分析了開(kāi)四孔型樁靴在插樁作業(yè)時(shí)砂土沒(méi)有穿過(guò)孔洞，堵塞孔洞并被不斷壓實(shí)，填實(shí)后的插樁曲線與普通樁靴類(lèi)似。由上訴插樁曲線可知其他開(kāi)孔數(shù)量的樁靴在插樁過(guò)程中孔洞均被堵塞，因此不同開(kāi)孔數(shù)樁靴插樁曲線相似。在插樁前期，雖然效果不明顯，但是依然可以看到開(kāi)孔型樁靴插樁阻力隨開(kāi)孔數(shù)的增大而減小，這有利于樁靴的入泥。開(kāi)孔對(duì)于自升式鉆井平臺(tái)穿刺距離產(chǎn)生積極意義，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以把開(kāi)孔作為設(shè)計(jì)樁靴來(lái)優(yōu)化的一種思路。

圖9 不同開(kāi)孔數(shù)隨插樁深度的阻力變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究樁靴底部形狀在插樁過(guò)程中的影響。通過(guò)縮比試驗(yàn)驗(yàn)證了CEL法的可行性，分析對(duì)比試驗(yàn)與仿真的誤差性。發(fā)現(xiàn)然后通過(guò)CEL數(shù)值仿真展開(kāi)對(duì)裙擺樁靴的長(zhǎng)度、壁厚以及開(kāi)孔樁靴的孔數(shù)進(jìn)行深入研究。得出了以下結(jié)論.

1）樁靴外加裙擺在上砂下黏的土體條件下，裙擺樁靴達(dá)到峰值阻力更快，并且發(fā)生穿刺的距離程度更小。因此外加裙擺對(duì)降低穿刺的風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生積極的影響，并且可以提高樁靴插樁的穩(wěn)定性。

2）樁靴底部開(kāi)貫穿孔使樁靴在穿刺風(fēng)險(xiǎn)上產(chǎn)生正面效果，在插入土體初期阻力更小，方面快速入泥，在插入到一定深度后因插樁泥土困在孔洞中，并被不斷壓實(shí)，帶來(lái)了更大的插樁阻力。

3）針對(duì)裙擺長(zhǎng)度不超過(guò)樁靴最底端，樁靴裙擺長(zhǎng)度對(duì)插樁阻力曲線的影響不明顯，過(guò)長(zhǎng)的裙擺設(shè)計(jì)對(duì)樁靴的牽引帶來(lái)不利影響，在樁靴設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合裙擺有益影響，選取合適長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4）樁靴底部開(kāi)不同數(shù)量的貫穿孔對(duì)插樁阻力隨深度變化的整體趨勢(shì)影響不明顯，開(kāi)孔洞并沒(méi)有像一開(kāi)始預(yù)想的一樣，在插樁過(guò)程中土壤沒(méi)有穿過(guò)孔洞，而是被困在其中并在插樁的過(guò)程中不斷被壓實(shí)，導(dǎo)致阻力的增大。