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自升式平臺插/拔樁阻力影響因素數值分析

作者:來源:日期:2019-12-16 11:44:36人氣:870
      我國擁有遼闊的大陸架,油氣儲量豐富,因此自升式平臺依靠其優勢逐漸獲得廣泛應用,尤其在渤海灣等距離陸地較近的淺海區域在插/拔樁作業時,樁土相互作用直接影響平臺整體響應特性,進而影響其工作安全性:1-2],因此研究平臺插/拔樁性能具有重要意義.目前主要用解析法、試驗法和數值法來研究平臺插/拔樁性能31.其中,解析法是預先將樁靴埋置在作業過程中某個固定點下,結果經計算得來,無法反映整個連續過程中土壤擾動及其參數樁靴尺寸及其粗糙度等對結果的影響.試驗法可以較為準確反映平臺實際工況,但是研究成本過高.因此主流方法是先建立數值模型,并采用試驗驗證其正確性,以此進行各參數的靈敏度分析,對傳統解析法給出的經驗公式進行修正,進而指導自升式平臺安裝過程.


      近年來,數值法逐漸成為研究平臺插/拔樁性能的重要工具,主要分為:SSFE法、LDFE法和CEL法3類4. SSFE法無法反映土壤連續變形過程; .LDFE法的求解結果嚴重依賴網格質量和求解參數,需要豐富的工程經驗作為基礎:而CEL法非常適合解決經典有限元法所不能分析的大變形土工問題5).文獻[6]中首次運用歐拉-拉格朗日耦合法開展了插樁過程數值模擬,并研究了不同土壤的插樁性能,為此,文中運用CEL法,結合Hossian 的土工離心模型試驗,模擬樁靴在雙層地基中的插樁過程;然后通過單層土的拔樁模型,分析求解參數對計算結果的影響,建立數值分析方法。1  試驗簡介

      文獻[7 -9]中采用土工離心機研究了插樁過程的土壤流動機制.試驗所采用的土壤樣本為高嶺土,其滲透系數相對較高,達到10-9m/s,易于固結制土時,通過施加不同的固結壓力以得到不同抗剪強度的樣本土壤,固結時間為4w;把最終制備的土體放人帶有機玻璃的強力盒中,再把強力盒放入鼓式土工離心機內;在土體上面注人30 mm深的水,進行100 g的離心試驗,采用T形桿對土體剪切強度進行原位測試.插樁試驗中,插樁速率為0.2 mm/s;試驗時采用粒子圖像測速,觀察土體流動情況最終測得硬士有效重度為8. 03 kN/m'(考慮了水的影響),剪切強度為38.3 kPa,軟土有效重度為7.43 kN/m ,剪切強度為11 kPa.

      2數值模型

      在實際插/拔樁過程中,土體具有對稱性,選取四分之一土作為計算模型;同時為消除邊界效應,土體尺寸選為6倍樁靴直徑,樁靴最大斷面直徑為6 m.采用歐拉單元EC3D8R離散,可以解決土體大變形所導致的網格扭曲以及計算結果不收斂的問題.相比于土體的大變形,樁腿和樁靴的變形非常小,將其設置為剛體并采用拉格朗日網格離散.

      在CEL法中,材料會在歐拉網格中流動甚至超出網格區域而在插樁作業開始和拔樁即將結束時,樁靴會將表面上體擠壓并在其周圍形成隆起、因此,為了真實模擬插拔樁過程中的土體流動,文中在土體網格的上方添加了一-定尺寸的,材料屬性為空的歐拉單元來給土體材料向上運動提供空間.由于樁靴處的土體受力和變形較大,遠離樁靴處的土體擾動很小,所以在對土體進行網格劃分時,對靠近樁靴插人范圍的土體網格加密,其余網格由內而外尺寸逐漸增大,插樁幾何模型和數值模型如圖1.


      拔樁的數值模型與插樁類似,區別在于建立拔樁模型時,首先將樁靴埋置于土體-定深度, 通過在樁身參考點上施加向上的速度邊界條件來模擬拔樁過程.此外,在ABAQUS中對拔樁模型土體賦予材料時,與樁靴和樁身重合的區域材料為空,這部分區域體積分數的提取可以通過ABAQUS軟件中的體積分數工具欄對二者取交集實現.在整個平臺進行拔樁作業過程中,最大阻力出現在樁靴完全脫離底部土體之前,這之后阻力開始慢慢減小,因此,文中選取單層土作為平臺拔樁研究對象.拔樁模型如圖2.


      2.1參數選取

      文中將von-Mises模型作為土體本構模型,土體參數選取Hossain試驗中所測得的參數.其中,插樁模型中,硬土層土體重度為8.03 kN/m' ,抗剪強度為38.3 kPa,軟土層土體重度為7.43 kN/m',抗剪強度為11 kPa;拔樁模型中,土體重度為7 kN/m',抗剪強度為12 kPa. 


      由于土體為粘土,泊松比g=0.49,彈性模量E的取值按照下面公式確定.


      式中:E為粘土的彈性模量;a為彈性模量系數,由表1確定;S。為粘土的不排水抗剪強度.2.2邊界條件 及接觸

      在豎直邊界施加水平方向的速度約束,在模型底面施加豎直方向的速度約束,頂面不施加約束.土體和樁靴之間的接觸屬性定義為通用接觸.

      在平臺移位作業過程中,插/拔樁阻力主要由樁端阻力和樁周側摩阻力共同組成.現有資料中,對樁土之間的摩擦系數的探討還未成熟,大多定義為有摩擦和無摩擦兩種情況,但得到的數值仿真結果相差很小0].因此,樁土摩擦可以忽略,其摩擦系數為0.2.3初始地應力平衡 

      由于土體內部存在應力而且會從一開始就影響整個分析過程,因此模型建立時需要平衡初始地應力.平衡初始地應力有多種方法,文中選用關鍵字法來平衡初始地應力,此種方法收斂性較好,可以得到理想的結果.在ABAQUS軟件的Edit Key-words中添加如下語句: Initial Conditions, type =Stress, Geostatic; Setname, stressl , coord1 , stress2 ,coord2,kx,ky.

      此外,側壓力系數測試比較困難,原位測試和現場試驗無法重現側向應變為0的狀態,很難得到真實值.因此,-般根據工程經驗選取,在文中的模型中選為1,可以較為準確反映樁靴貫入過程中土的性質.

      3插樁阻力影響因素分析

      3.1插樁速 度

      為研究插樁速度對結果的影響,文中選取樁靴貫入速率ε=0.2,0.3,0.5 m/s, 進行基于CEL的數值計算,所得插樁阻力與位移變化趨勢如圖3.


      由圖3可以看出,當樁靴最初插人硬土層時,3種不同速率計算得出的插樁阻力隨著平臺貫人深度的增加而迅速增大,且變化趨勢平緩.其中,在樁靴臨近土層分界面之前,0.2 ,0. 3 m/s兩種速率下的插樁阻力近乎相等,0.5 m/s速率下的計算結果偏大.在硬土層約4 m處,0.2 m/s速率下的插樁阻力發生突降,并將這一趨勢一直保持到樁靴進人軟土層.0.3 m/s速率下的計算結果在4.5 m處,即1#和2#土層分界面處發生突降,符合實際情況.0.5 m/s速率下的插樁阻力一直到軟土層7 m處才發生突降,這是由于速度過大對計算結果產生影響所致.

      當樁靴進人軟土層后,3種速率下的插樁阻力減小,但是仍然很大.可見,硬上層對樁靴在軟土層中的插樁阻力仍然存在影響.當這種影響隨著深度的增加逐漸減弱之后,插樁阻力繼續隨著平臺貫人深度的增加而緩慢增大.此外,從圖中可以看出,在相同貫人深度下,插樁速率越大則其阻力也就越大.3.2上下土層強度比

      針對兩層地基存在的強度和剛度差,文中選取不同的上下土層強度比(Sw/S =2,3.5,5)探究硬土與軟土之間的強度差對插樁阻力的影響.強度比設定時,將上層土的抗剪強度值固定,通過改變下層土的抗剪強度來得到不同的強度比所得插樁阻力與位移變化趨勢如圖4.


      對比圖4中3種不同強度比下的插樁阻力曲線可以看出;在上層土中,由于土體抗剪強度相同,所以3種不同強度比下的插樁阻力基本- -樣;當樁靴即將進人軟土層時,由于軟土地基的影響,強度比為5的地基承載力逐漸變為最小,突變最為明顯.這是因為下層土剪切強度過小,當樁靴由硬土層進入軟土層中時,樁靴底部土體并沒有向上運動,而是直接在樁靴底部形成一個倒三角形的土體區域,并且這-塊區域隨著樁靴- -同進人軟土層,此時承載力突然變小,容易發生刺穿失效.在3種計算結果下,樁靴進人軟土層并達到- -定位置之后,3條曲線近乎平行,說明最終插樁阻力與上層土無關,而由下層土的剪切強度決定.土體抗剪切能力越差,地基承載力就越小,插樁阻力也就越小.因此,軟土層中的抗剪強度越小,平臺的貫人深度可能就越深.3.3.上層土相對樁靴直徑的厚度

      為研究上層土強度對插樁過程的影響,文中選取不同的上層土相對樁靴直徑的厚度(t/D=0.75,1,1. 25)來進行數值計算.在相對厚度設定時,保持樁靴直徑尺寸固定,改變上層土厚度來改變相對厚度值.所得插樁阻力與位移變化趨勢如圖5.


      當上層土相對樁靴直徑厚度較小時,樁靴仍會進人軟土層,因此插樁阻力會出現如圖5所示的拐點,而不像單層土那樣阻力一直增大.由圖可知,樁靴開始貫人上層土時,3種模型得出的插樁阻力有所不同,這是由于下層軟土的影響所致.當l/D=0.75時,硬土層厚度最小,樁靴很快進人軟土層中,因此它所計算出的地基承載力也最小.此外,該種情況下的插樁阻力出現拐點的時間最早,這是因為土層分界線較其他二者相對靠上.當t/D=1.25時,曲線進人軟土層后,插樁阻力下降較快,即隨著上層土相對厚度的增加,樁靴發生刺穿失效的概率也隨之增加.隨后,當樁靴貫人深度足夠大時,3種情況下計算的插樁阻力逐漸相等,說明最終的阻力大小與硬土層相對厚度無關,而是由下層軟土的抗剪強度所決定.4  拔樁阻力影響因素分析

      文中采用P-S曲線來判斷樁靴抗拔極限承載力,在土體出現塑性變形時,曲線會有明顯的拐點,該拐點所對應的載荷則為最大拔樁阻力.4.1土體彈性模量影響

      考慮彈性模量對結果的影響,文中選取不同的彈性模量值(E =0.6,6,60 MPa)對自升式平臺的抗拔極限承載力進行數值模擬分析,所得P-S曲線如圖6.


      由圖6可知,平臺拔樁阻力曲線可以分為兩部分:上升段和穩定段,兩段曲線之間存在一一個明顯拐點.當上拔力小于該拐點下的載荷時,其大小隨著位移增大而線性增加..上拔力急劇增長,而上拔位移只有少量變化,增長速率緩慢.此時的土體仍處于彈性變形階段,其位移主要是由彈性變形和土體壓縮引起的.當上拔力大于該拐點下的載荷時,上拔力增長緩慢,相反位移卻快速增長,說明樁靴的上移過程已導致土體發生剪切破壞,此時的土體位移主要是塑性變形和土體壓縮引起的該拐點下的載荷即為抗拔極限承載力此外,隨著土體彈性模量的增大,土體抗拔極限承載力不斷增大.這是因為彈性模量影響土體變形,值越大說明其抵抗彈性變形的能力越強,進而發生塑性變形所需的剪切力就越大,導致樁靴上拔難度增大.

      由圖6可知,平臺拔樁阻力曲線可以分為兩部分:上升段和穩定段,兩段曲線之間存在-一個明顯拐點.當上拔力小于該拐點下的載荷時,其大小隨著位移增大而線性增加.上拔力急劇增長,而上拔位移只有少量變化,增長速率緩慢.此時的土體仍處于彈性變形階段,其位移主要是由彈性變形和土體壓縮引起的.當上拔力大于該拐點下的載荷時,.上拔力增長緩慢,相反位移卻快速增長,說明樁靴的上移過程已導致土體發生剪切破壞,此時的土體位移主要是塑性變形和土體壓縮引起的.該拐點下的載荷即為抗拔極限承載力此外,隨著土體彈性模量的增大,土體抗拔極限承載力不斷增大.這是因為彈性模量影響土體變形,值越大說明其抵抗彈性變形的能力越強,進而發生塑性變形所需的剪切力就越大,導致樁靴上拔難度增大.4.2樁靴埋深影響

      針對樁靴人泥深度對計算結果的影響,文中選取不同的樁靴埋深值(H=10,15,20 m)對自升式平臺的抗拔極限承載力進行數值模擬分析,所得P-S曲線如圖7。


      由圖7所示,隨著樁靴埋深的增加,平臺抗拔極限承載力明顯增加.這是因為拔樁過程中,阻礙樁靴上拔的因素中有樁靴上部覆土自重和樁周圍的側摩阻力.而上部覆土自重和側摩阻力又受樁靴埋深的影響.因此,樁靴貫入深度越大,拔樁所需的極限力也就越大.此外,樁靴埋深不同,平臺需要上拔的位移也有所不同,,其中,20 m的樁頂上拔量最大.在實際工程應用中,需要綜合考慮地基極限承載力和抗拔極限承載力,在此基礎上選擇合適的人泥深度,保證平臺安全作業和順利拔樁.

      4.3樁靴_ 上拔速度影響

      為研究上拔速度對插樁過程的影響,文中選取不同的拔樁速度(o=0.2,0.3 ,0.5 m/s)來探究其對拔樁承載力的影響,所得P-S曲線如圖8.


      由圖8可知,隨著加載速率的提升,平臺拔樁最大阻力也會增大.這是因為在相同時間內,拔樁速度越大,樁靴上拔位移也就越大,在這個過程中發生剪切變形的土體就越多.因此,拔樁阻力會隨著速度的增大而增大.此外,拐點出現的位置也因加載速率的不同而不同,在0.2m/s下,拐點出現最早,但是趨勢不是特別明顯.5結論

      1)對插樁過程而言,插樁速度、上下土層強度比以及上土層相對厚度對插樁阻力產生較大影響:①當插樁速度。=0.3m/s時,插樁阻力在土層分界面發生突降,符合實際情況,而在軟土層中,雖然速度越大使得阻力越大,但。=0.5m/s時,阻力發生突變部位存在較大偏差,綜合考慮后,0 =0.3m/s為最優速度;②當上下土層強度比越小時,插樁阻力突變不明顯,地基承載力較大,而后,在軟土中的阻力值與上層土無關;③雖然上層土厚度不同,但樁靴始終會進入軟土層,厚度越小,地基承載力越小,而插樁深度較大時,阻力與上層土無關,因此當上層土相對樁靴直徑的比越大時,平臺工作更加安全可靠.


      2)對拔樁過程而言,土體彈性模量、樁靴埋深以及上拔速度對拔樁阻力影響較大:①土體彈性模量越大,抗拔承載越大,拔樁越困難;②樁靴埋深越大,受覆土自重和側摩阻力影響,所需拔樁載荷越大,即阻力越大;③上拔速度越大,土體剪切變形越大,因此拔樁阻力越大,不利于平臺工作。

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