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自升式平台插/拔桩阻力影响因素数值分析

作者:来源:日期:2019-12-16 11:44:36人气:1416
      我国拥有辽阔的大陆架,油气储量丰富,因此自升式平台依靠其优势逐渐获得广泛应用,尤其在渤海湾等距离陆地较近的浅海区域在插/拔桩作业时,桩土相互作用直接影响平台整体响应特性,进而影响其工作安全性:1-2],因此研究平台插/拔桩性能具有重要意义.目前主要用解析法、试验法和数值法来研究平台插/拔桩性能31.其中,解析法是预先将桩靴埋置在作业过程中某个固定点下,结果经计算得来,无法反映整个连续过程中土壤扰动及其参数桩靴尺寸及其粗糙度等对结果的影响.试验法可以较为准确反映平台实际工况,但是研究成本过高.因此主流方法是先建立数值模型,并采用试验验证其正确性,以此进行各参数的灵敏度分析,对传统解析法给出的经验公式进行修正,进而指导自升式平台安装过程.


      近年来,数值法逐渐成为研究平台插/拔桩性能的重要工具,主要分为:SSFE法、LDFE法和CEL法3类4. SSFE法无法反映土壤连续变形过程; .LDFE法的求解结果严重依赖网格质量和求解参数,需要丰富的工程经验作为基础:而CEL法非常适合解决经典有限元法所不能分析的大变形土工问题5).文献[6]中首次运用欧拉-拉格朗日耦合法开展了插桩过程数值模拟,并研究了不同土壤的插桩性能,为此,文中运用CEL法,结合Hossian 的土工离心模型试验,模拟桩靴在双层地基中的插桩过程;然后通过单层土的拔桩模型,分析求解参数对计算结果的影响,建立数值分析方法。1  试验简介

      文献[7 -9]中采用土工离心机研究了插桩过程的土壤流动机制.试验所采用的土壤样本为高岭土,其渗透系数相对较高,达到10-9m/s,易于固结制土时,通过施加不同的固结压力以得到不同抗剪强度的样本土壤,固结时间为4w;把最终制备的土体放人带有机玻璃的强力盒中,再把强力盒放入鼓式土工离心机内;在土体上面注人30 mm深的水,进行100 g的离心试验,采用T形杆对土体剪切强度进行原位测试.插桩试验中,插桩速率为0.2 mm/s;试验时采用粒子图像测速,观察土体流动情况最终测得硬士有效重度为8. 03 kN/m'(考虑了水的影响),剪切强度为38.3 kPa,软土有效重度为7.43 kN/m ,剪切强度为11 kPa.

      2数值模型

      在实际插/拔桩过程中,土体具有对称性,选取四分之一土作为计算模型;同时为消除边界效应,土体尺寸选为6倍桩靴直径,桩靴最大断面直径为6 m.采用欧拉单元EC3D8R离散,可以解决土体大变形所导致的网格扭曲以及计算结果不收敛的问题.相比于土体的大变形,桩腿和桩靴的变形非常小,将其设置为刚体并采用拉格朗日网格离散.

      在CEL法中,材料会在欧拉网格中流动甚至超出网格区域而在插桩作业开始和拔桩即将结束时,桩靴会将表面上体挤压并在其周围形成隆起、因此,为了真实模拟插拔桩过程中的土体流动,文中在土体网格的上方添加了一-定尺寸的,材料属性为空的欧拉单元来给土体材料向上运动提供空间.由于桩靴处的土体受力和变形较大,远离桩靴处的土体扰动很小,所以在对土体进行网格划分时,对靠近桩靴插人范围的土体网格加密,其余网格由内而外尺寸逐渐增大,插桩几何模型和数值模型如图1.


      拔桩的数值模型与插桩类似,区别在于建立拔桩模型时,首先将桩靴埋置于土体-定深度, 通过在桩身参考点上施加向上的速度边界条件来模拟拔桩过程.此外,在ABAQUS中对拔桩模型土体赋予材料时,与桩靴和桩身重合的区域材料为空,这部分区域体积分数的提取可以通过ABAQUS软件中的体积分数工具栏对二者取交集实现.在整个平台进行拔桩作业过程中,最大阻力出现在桩靴完全脱离底部土体之前,这之后阻力开始慢慢减小,因此,文中选取单层土作为平台拔桩研究对象.拔桩模型如图2.


      2.1参数选取

      文中将von-Mises模型作为土体本构模型,土体参数选取Hossain试验中所测得的参数.其中,插桩模型中,硬土层土体重度为8.03 kN/m' ,抗剪强度为38.3 kPa,软土层土体重度为7.43 kN/m',抗剪强度为11 kPa;拔桩模型中,土体重度为7 kN/m',抗剪强度为12 kPa. 


      由于土体为粘土,泊松比g=0.49,弹性模量E的取值按照下面公式确定.


      式中:E为粘土的弹性模量;a为弹性模量系数,由表1确定;S。为粘土的不排水抗剪强度.2.2边界条件 及接触

      在竖直边界施加水平方向的速度约束,在模型底面施加竖直方向的速度约束,顶面不施加约束.土体和桩靴之间的接触属性定义为通用接触.

      在平台移位作业过程中,插/拔桩阻力主要由桩端阻力和桩周侧摩阻力共同组成.现有资料中,对桩土之间的摩擦系数的探讨还未成熟,大多定义为有摩擦和无摩擦两种情况,但得到的数值仿真结果相差很小0].因此,桩土摩擦可以忽略,其摩擦系数为0.2.3初始地应力平衡 

      由于土体内部存在应力而且会从一开始就影响整个分析过程,因此模型建立时需要平衡初始地应力.平衡初始地应力有多种方法,文中选用关键字法来平衡初始地应力,此种方法收敛性较好,可以得到理想的结果.在ABAQUS软件的Edit Key-words中添加如下语句: Initial Conditions, type =Stress, Geostatic; Setname, stressl , coord1 , stress2 ,coord2,kx,ky.

      此外,侧压力系数测试比较困难,原位测试和现场试验无法重现侧向应变为0的状态,很难得到真实值.因此,-般根据工程经验选取,在文中的模型中选为1,可以较为准确反映桩靴贯入过程中土的性质.

      3插桩阻力影响因素分析

      3.1插桩速 度

      为研究插桩速度对结果的影响,文中选取桩靴贯入速率ε=0.2,0.3,0.5 m/s, 进行基于CEL的数值计算,所得插桩阻力与位移变化趋势如图3.


      由图3可以看出,当桩靴最初插人硬土层时,3种不同速率计算得出的插桩阻力随着平台贯人深度的增加而迅速增大,且变化趋势平缓.其中,在桩靴临近土层分界面之前,0.2 ,0. 3 m/s两种速率下的插桩阻力近乎相等,0.5 m/s速率下的计算结果偏大.在硬土层约4 m处,0.2 m/s速率下的插桩阻力发生突降,并将这一趋势一直保持到桩靴进人软土层.0.3 m/s速率下的计算结果在4.5 m处,即1#和2#土层分界面处发生突降,符合实际情况.0.5 m/s速率下的插桩阻力一直到软土层7 m处才发生突降,这是由于速度过大对计算结果产生影响所致.

      当桩靴进人软土层后,3种速率下的插桩阻力减小,但是仍然很大.可见,硬上层对桩靴在软土层中的插桩阻力仍然存在影响.当这种影响随着深度的增加逐渐减弱之后,插桩阻力继续随着平台贯人深度的增加而缓慢增大.此外,从图中可以看出,在相同贯人深度下,插桩速率越大则其阻力也就越大.3.2上下土层强度比

      针对两层地基存在的强度和刚度差,文中选取不同的上下土层强度比(Sw/S =2,3.5,5)探究硬土与软土之间的强度差对插桩阻力的影响.强度比设定时,将上层土的抗剪强度值固定,通过改变下层土的抗剪强度来得到不同的强度比所得插桩阻力与位移变化趋势如图4.


      对比图4中3种不同强度比下的插桩阻力曲线可以看出;在上层土中,由于土体抗剪强度相同,所以3种不同强度比下的插桩阻力基本- -样;当桩靴即将进人软土层时,由于软土地基的影响,强度比为5的地基承载力逐渐变为最小,突变最为明显.这是因为下层土剪切强度过小,当桩靴由硬土层进入软土层中时,桩靴底部土体并没有向上运动,而是直接在桩靴底部形成一个倒三角形的土体区域,并且这-块区域随着桩靴- -同进人软土层,此时承载力突然变小,容易发生刺穿失效.在3种计算结果下,桩靴进人软土层并达到- -定位置之后,3条曲线近乎平行,说明最终插桩阻力与上层土无关,而由下层土的剪切强度决定.土体抗剪切能力越差,地基承载力就越小,插桩阻力也就越小.因此,软土层中的抗剪强度越小,平台的贯人深度可能就越深.3.3.上层土相对桩靴直径的厚度

      为研究上层土强度对插桩过程的影响,文中选取不同的上层土相对桩靴直径的厚度(t/D=0.75,1,1. 25)来进行数值计算.在相对厚度设定时,保持桩靴直径尺寸固定,改变上层土厚度来改变相对厚度值.所得插桩阻力与位移变化趋势如图5.


      当上层土相对桩靴直径厚度较小时,桩靴仍会进人软土层,因此插桩阻力会出现如图5所示的拐点,而不像单层土那样阻力一直增大.由图可知,桩靴开始贯人上层土时,3种模型得出的插桩阻力有所不同,这是由于下层软土的影响所致.当l/D=0.75时,硬土层厚度最小,桩靴很快进人软土层中,因此它所计算出的地基承载力也最小.此外,该种情况下的插桩阻力出现拐点的时间最早,这是因为土层分界线较其他二者相对靠上.当t/D=1.25时,曲线进人软土层后,插桩阻力下降较快,即随着上层土相对厚度的增加,桩靴发生刺穿失效的概率也随之增加.随后,当桩靴贯人深度足够大时,3种情况下计算的插桩阻力逐渐相等,说明最终的阻力大小与硬土层相对厚度无关,而是由下层软土的抗剪强度所决定.4  拔桩阻力影响因素分析

      文中采用P-S曲线来判断桩靴抗拔极限承载力,在土体出现塑性变形时,曲线会有明显的拐点,该拐点所对应的载荷则为最大拔桩阻力.4.1土体弹性模量影响

      考虑弹性模量对结果的影响,文中选取不同的弹性模量值(E =0.6,6,60 MPa)对自升式平台的抗拔极限承载力进行数值模拟分析,所得P-S曲线如图6.


      由图6可知,平台拔桩阻力曲线可以分为两部分:上升段和稳定段,两段曲线之间存在一一个明显拐点.当上拔力小于该拐点下的载荷时,其大小随着位移增大而线性增加..上拔力急剧增长,而上拔位移只有少量变化,增长速率缓慢.此时的土体仍处于弹性变形阶段,其位移主要是由弹性变形和土体压缩引起的.当上拔力大于该拐点下的载荷时,上拔力增长缓慢,相反位移却快速增长,说明桩靴的上移过程已导致土体发生剪切破坏,此时的土体位移主要是塑性变形和土体压缩引起的该拐点下的载荷即为抗拔极限承载力此外,随着土体弹性模量的增大,土体抗拔极限承载力不断增大.这是因为弹性模量影响土体变形,值越大说明其抵抗弹性变形的能力越强,进而发生塑性变形所需的剪切力就越大,导致桩靴上拔难度增大.

      由图6可知,平台拔桩阻力曲线可以分为两部分:上升段和稳定段,两段曲线之间存在-一个明显拐点.当上拔力小于该拐点下的载荷时,其大小随着位移增大而线性增加.上拔力急剧增长,而上拔位移只有少量变化,增长速率缓慢.此时的土体仍处于弹性变形阶段,其位移主要是由弹性变形和土体压缩引起的.当上拔力大于该拐点下的载荷时,.上拔力增长缓慢,相反位移却快速增长,说明桩靴的上移过程已导致土体发生剪切破坏,此时的土体位移主要是塑性变形和土体压缩引起的.该拐点下的载荷即为抗拔极限承载力此外,随着土体弹性模量的增大,土体抗拔极限承载力不断增大.这是因为弹性模量影响土体变形,值越大说明其抵抗弹性变形的能力越强,进而发生塑性变形所需的剪切力就越大,导致桩靴上拔难度增大.4.2桩靴埋深影响

      针对桩靴人泥深度对计算结果的影响,文中选取不同的桩靴埋深值(H=10,15,20 m)对自升式平台的抗拔极限承载力进行数值模拟分析,所得P-S曲线如图7。


      由图7所示,随着桩靴埋深的增加,平台抗拔极限承载力明显增加.这是因为拔桩过程中,阻碍桩靴上拔的因素中有桩靴上部覆土自重和桩周围的侧摩阻力.而上部覆土自重和侧摩阻力又受桩靴埋深的影响.因此,桩靴贯入深度越大,拔桩所需的极限力也就越大.此外,桩靴埋深不同,平台需要上拔的位移也有所不同,,其中,20 m的桩顶上拔量最大.在实际工程应用中,需要综合考虑地基极限承载力和抗拔极限承载力,在此基础上选择合适的人泥深度,保证平台安全作业和顺利拔桩.

      4.3桩靴_ 上拔速度影响

      为研究上拔速度对插桩过程的影响,文中选取不同的拔桩速度(o=0.2,0.3 ,0.5 m/s)来探究其对拔桩承载力的影响,所得P-S曲线如图8.


      由图8可知,随着加载速率的提升,平台拔桩最大阻力也会增大.这是因为在相同时间内,拔桩速度越大,桩靴上拔位移也就越大,在这个过程中发生剪切变形的土体就越多.因此,拔桩阻力会随着速度的增大而增大.此外,拐点出现的位置也因加载速率的不同而不同,在0.2m/s下,拐点出现最早,但是趋势不是特别明显.5结论

      1)对插桩过程而言,插桩速度、上下土层强度比以及上土层相对厚度对插桩阻力产生较大影响:①当插桩速度。=0.3m/s时,插桩阻力在土层分界面发生突降,符合实际情况,而在软土层中,虽然速度越大使得阻力越大,但。=0.5m/s时,阻力发生突变部位存在较大偏差,综合考虑后,0 =0.3m/s为最优速度;②当上下土层强度比越小时,插桩阻力突变不明显,地基承载力较大,而后,在软土中的阻力值与上层土无关;③虽然上层土厚度不同,但桩靴始终会进入软土层,厚度越小,地基承载力越小,而插桩深度较大时,阻力与上层土无关,因此当上层土相对桩靴直径的比越大时,平台工作更加安全可靠.


      2)对拔桩过程而言,土体弹性模量、桩靴埋深以及上拔速度对拔桩阻力影响较大:①土体弹性模量越大,抗拔承载越大,拔桩越困难;②桩靴埋深越大,受覆土自重和侧摩阻力影响,所需拔桩载荷越大,即阻力越大;③上拔速度越大,土体剪切变形越大,因此拔桩阻力越大,不利于平台工作。

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