軟黏土地基中吸力樁水平承載性能數(shù)值分析

張 偉，馬振杰

(天津大學 建筑工程學院，天津 300350)

近年來，隨著深海油氣開采的逐漸發(fā)展，傳統(tǒng)的重力式基礎和樁基導管架平臺已很難適應深海施工需求，在此情況下，立柱式平臺、浮式平臺等新型結構及基礎逐漸得到應用。作為一種深海新型樁基礎，吸力樁安裝過程為：吸力樁借助自重作用沉至海底，然后通過抽氣孔利用真空氣泵在桶內(nèi)形成負壓，桶內(nèi)外的壓力差將吸力樁壓入土體。當需要移除吸力樁時，只需要向桶內(nèi)充氣將吸力樁拔出即可。因此，吸力樁具有方便施工、可重復使用等優(yōu)點。

目前對吸力樁的研究，主要從現(xiàn)場試驗、離心機試驗、實驗室試驗和數(shù)值仿真兩方面開展，現(xiàn)場試驗測量數(shù)據(jù)較為真實可靠，但時間和經(jīng)濟成本較高[1-5]。近年來，許多學者利用ABAQUS[6]、FLAC3D[7]、Z_SOIL[8]等大型有限元軟件對吸力樁的結構參數(shù)等展開了全面廣泛的研究。在傳統(tǒng)吸力樁的基礎上，李大勇等[9-12]提出了一種新型裙式吸力基礎，并通過模型試驗和有限元軟件對吸力樁基礎的承載特性、沉貫特性等展開了深入研究。在李大勇提出的裙式吸力基礎上，柳曉科等[13-14]提出了低裙式吸力樁基礎，并通過模型試驗和PLAXIS有限元軟件對其真空沉貫特性和抗拔特性進行了研究。

本文通過有限元軟件ABAQUS來模擬不同裙尺寸的吸力樁的水平承載特性，對吸力樁基礎展開進一步研究，分析裙結構對吸力樁的水平承載特性，并采用極限平衡法對吸力樁水平極限承載力進行理論推導。

1 吸力樁基礎分析模型

基于ABAQUS三維有限元軟件，根據(jù)文獻[15]數(shù)據(jù)建立三維有限元計算模型。吸力樁外徑D=5 m，長徑比分別為L/D=1.0、2.0、5.0，桶壁厚50 mm，承臺厚100 mm。考慮到邊界效應，土體在縱向和橫向的計算范圍取為6L和10D。考慮到吸力樁結構的對稱性，取吸力樁結構和與計算區(qū)域的一半建立有限元計算模型。吸力樁周圍土體為軟黏土，采用基于Mohr-Coulomb屈服準則的理想彈塑性模型，泊松比v=0.49，即假定土體不可壓縮，土體容重γ=18 kN/m3，不排水抗剪強度cu取10 kPa，摩擦角φ=0，不考慮地基中應力對土體模量的影響，假定土體模量與土體不排水抗剪強度成正比，即E=500cu。考慮到吸力樁的剛度遠遠大于海洋土地基的剛度，因此將吸力樁簡化為彈性材料，彈性模量為E=2×105MPa，泊松比取0.3。為便于收斂，將吸力樁密度設置為土體密度。有限元計算模型及模型簡圖如圖1和圖2所示。

圖1 三維有限元計算模型

對于吸力樁和土體，均采用C3D8單元建立有限元計算模型。吸力樁與土體之間設置接觸面，接觸面法向為硬接觸，切向為Penalty接觸。計算時假定吸力樁已貫入土體，樁底部與土體接觸面為水平。除初始分析步外，另設兩個分析步，第一步生成初始應力場；第二步采用位移控制方法進行水平位移的加載。

在樁頂位置采用位移控制方法施加水平位移，加載點的荷載-位移曲線如圖3所示，其加載過程可分為三個階段。在第三階段，荷載-位移關系曲線，荷載不再隨位移增大而增大，土體失穩(wěn)，此階段的荷載值可作為吸力樁的水平承載力。

圖3 吸力樁水平位移-荷載關系曲線

在加載點位置p/L=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0處分別施加位移，并將得到的水平承載力進行歸一化處理，得到不同長徑比下水平承載力隨加載點位置變化的關系如圖4所示，其中Hmax為最大水平承載力。圖5給出了p/L分別為0、0.6、1.0時吸力樁的水平破壞機制。通過對比發(fā)現(xiàn)，本文數(shù)據(jù)與文獻有限元分析數(shù)據(jù)差值大部分在10%以內(nèi)，水平破壞機制近似，即所得結論相同，證明本文數(shù)值模型可有效模擬吸力樁的水平受荷過程。

5-a p/L=0，文獻數(shù)據(jù) 5-b p/L=0.6，文獻數(shù)據(jù) 5-c p/L=1.0，文獻數(shù)據(jù)

裙式及低裙式吸力樁模型簡圖如圖6所示，去掉裙結構后，即為傳統(tǒng)吸力樁；當裙頂與主桶頂部高差t為0時，即為裙式吸力樁基礎；當t不為0時，即為低裙式吸力樁。圖中L為主桶高度，取為25 m；D為主桶直徑，取5 m；m為裙寬，p為加載點位置與主桶頂部之間的距離。h為裙高，本文規(guī)定當h/L=0時表示只有裙結構承臺，無裙壁。

圖6 裙式吸力樁模型簡圖

不同尺寸的吸力樁基礎結構模型如表1所示。

表1 吸力樁尺寸表

2 數(shù)值計算結果分析

2.1 加載點位置對水平承載力的影響

針對傳統(tǒng)吸力樁模型，采用控制位移法，在p/L=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0的位置施加水平位移，得到不同加載點位置下的水平位移-荷載曲線如圖7所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，當p/L=0.6時，吸力樁基礎極限承載力最大，p/L=0.4、0.8時的水平極限承載力接近，p/L=0.2、1.0時的水平極限承載力接近。

圖7 加載點位置對水平極限承載力的影響

根據(jù)已有研究顯示[16]，在水平受荷過程中，通常是加載反方向的吸力樁周圍被動區(qū)土體屈服，進而導致吸力樁失穩(wěn)，吸力樁周圍被動區(qū)越大，則吸力樁越不容易失穩(wěn)，其水平極限承載能力越大。通過分析吸力樁失穩(wěn)時沿埋深方向中心線上各點的側(cè)移，得到側(cè)移量為0的點，認為該點為吸力樁基礎的轉(zhuǎn)動中心，進一步確定樁體周圍被動區(qū)的大小。圖8為傳統(tǒng)吸力樁基礎在水平荷載下的側(cè)移-埋深曲線，其中y為沿樁體埋深，u為某點的側(cè)移，負值代表沿加載反方向產(chǎn)生側(cè)移，正值代表沿加載方向產(chǎn)生側(cè)移。由圖可以看出，當p/L=0.6時，轉(zhuǎn)動中心位置接近于地面，此時樁體后側(cè)被動區(qū)域最大，水平極限承載能力也為最大。當p/L分別為0.4、0.8時，樁體轉(zhuǎn)動中心分別處于0.9、0.25附近，與樁底、樁頂?shù)木嚯x相接近，水平極限荷載相接近。

2.2 裙結構對水平承載力的影響

圖9顯示了不同加載點位置下裙結構對水平極限承載力的影響。當加載點位置p/L=0、0.2、0.4時，隨著裙寬和裙高的增長，水平極限承載力以近似線性的關系增長，而隨著高差的增大，水平極限承載力有較小增長而后趨于不變。當加載點位置p/L=0.6、0.8、1.0時，裙結構對水平極限承載力的影響較小。

9-a h/L=0.25，t/L=0 9-b m/R=2，t/L=0 9-c m/R=1.0，h/L=0.15

圖10顯示了p/L=0時水平荷載作用下不同類型吸力樁基礎的破壞機理，傳統(tǒng)吸力樁在繞樁身某點轉(zhuǎn)動過程中受到樁側(cè)水平土抗力和樁端摩阻力的作用。相較于傳統(tǒng)吸力樁基礎，裙結構的設置增大了吸力樁與土體的接觸面積，使得吸力樁還受到裙端摩阻力和裙前水平土抗力的作用。隨著裙結構的下移，裙頂與土體相接觸，使得吸力樁在裙式吸力樁的基礎上還受到裙頂摩阻力的作用。當裙結構繼續(xù)下移，由于吸力樁與土體接觸面積未增加，水平極限承載力不再增長。

10-a 傳統(tǒng)吸力樁 10-b 裙式吸力樁 10-c 低裙式吸力樁

由圖8可以看出，當加載點位置處于p/L=0、0.2、0.4時，樁身上部位移較大，而當加載點位置p/L=0.6、0.8、1.0時，樁身下部位移較大。由于裙結構主要設置在靠近樁頂位置，因此當位移主要集中在下部時，裙結構對水平承載性能的影響較小。

3 吸力樁基礎水平承載力理論計算

采用極限平衡法對吸力樁水平極限承載力進行理論分析，過程中存在以下假設：樁頭不受轉(zhuǎn)動約束，能夠自由轉(zhuǎn)動；不考慮樁的傾斜對水平承載力的影響；樁內(nèi)土體與樁體共同運動，不考慮吸力的影響。在水平受荷過程中，樁體繞樁身某一點轉(zhuǎn)動，主要受到樁前土壓力、樁底摩阻力、樁底反力和樁外側(cè)摩阻力的作用，其中樁前土壓力包括旋轉(zhuǎn)中心以上的樁前土壓力和旋轉(zhuǎn)中心以下的樁后土壓力，受力示意如圖11所示。

圖11 水平荷載作用下吸力樁受力示意圖

通過將樁體(包括樁內(nèi)土體)所受力系對水平方向進行受力平衡分析，可得到樁體水平極限承載力如下

(1)

式中：T0=πR2cu，為樁底摩阻力，kN；T1=T2=π[(R+m)2-R2]cu，為裙端、裙頂摩阻力，T2只存在于低裙式吸力樁情形下；當處于主桶部位時取M=D，當處于裙結構部位時取M=D+2m；l0為樁體旋轉(zhuǎn)中心至樁頂距離，m，可通過將力系對水平荷載作用點取矩進行力矩平衡分析求得；pu(z)為深度z處的土抗力，kN/m2，采用Matlock法來確定，認為土抗力可按式(2)與式(3)計算，并取其中的較小值作為土抗力。

pu(z)=9cu

(2)

(3)

式中：γ為土體重度，kN/m3；J為試驗系數(shù)，對于軟粘土取0.5。

理論結果與有限元計算結果對比如表2所示。可以看出，理論結果與有限元結果相差較小，契合度較高。

表2 有限元結果與理論計算結果對比

4 結論

本文對飽和軟黏土中不同裙結構的吸力樁的水平承載性能展開了詳細研究，結論如下：

(1)在水平荷載作用下，吸力樁繞樁身某點轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動過程中受到樁前土抗力、樁端摩阻力的作用，裙式吸力樁還受到裙前土抗力、裙端摩阻力的作用，當裙結構下移之后還會受到樁頂摩阻力的作用。(2)加載點位置的變化，引起了轉(zhuǎn)動中心的變化，由于主要是樁前土抗力抵抗樁體轉(zhuǎn)動，所以當加載點位置p/L=0.6時，轉(zhuǎn)動中心靠近樁頂，此時樁前土抗力最大，水平極限承載力最大。(3)裙結構的設置主要增大了樁體與土體的接觸面積，裙高和裙寬對水平極限承載力的影響近似線性，而當裙頂與土體接觸以后，裙結構的下移不再對承載性能有影響。(4)基于極限平衡法對吸力樁水平極限承載力進行了理論計算，對比結果顯示該式能夠用來計算不同裙結構的吸力樁水平極限承載力。