張兆德，呂國興，張心

1浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山316022

2浙江省近海海洋工程技術(shù)重點實驗室，浙江舟山 316022

樁靴支護結(jié)構(gòu)對樁端極限承載力的影響

張兆德1，2，呂國興1，2，張心1，2

1浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山316022

2浙江省近海海洋工程技術(shù)重點實驗室，浙江舟山 316022

以渤海灣“勝利五號”自升式作業(yè)平臺樁基貫入工程實例為基礎(chǔ)，優(yōu)化自升式平臺樁靴支護結(jié)構(gòu)位置，采用有限元數(shù)值模擬位置優(yōu)化后的樁端極限承載力，并與實際樁端承載進行比較。優(yōu)化結(jié)果表明：沿樁靴徑向和垂向優(yōu)化發(fā)現(xiàn)樁端極限承載力由內(nèi)向外是先增大、后減小，支護結(jié)構(gòu)在r'/r=0.6，h/H=0.4處優(yōu)化達到預期效果；合理優(yōu)化樁靴支護結(jié)構(gòu)的位置可以改變樁靴上端面土體流動方向，減小土體對樁靴上端面沖量及樁靴上、下端面土體流速差，穩(wěn)定貫樁過程，能夠增加樁端極限承載力。

自升式平臺；樁靴；極限承載力；支護；數(shù)值模擬

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.020.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：張兆德，呂國興，張心.樁靴支護結(jié)構(gòu)對樁端極限承載力的影響［J］.中國艦船研究，2016，11（2）：66-71.

ZHANG Zhaode，LV Guoxing，ZHANG Xin.The effect of optimized structures on the spudcan bearing capacity［J］.

Chinese Journal of Ship Research，2016，11（2）：66-71.

0　引　言

在近海石油勘探與開發(fā)過程中，自升式平臺是一種常用的移動平臺結(jié)構(gòu)形式。此類海洋工程結(jié)構(gòu)的共同特點是依靠樁腿和樁靴支持在海底基礎(chǔ)上，其入泥深度遠小于樁靴尺度，因此經(jīng)常會發(fā)生地基不穩(wěn)、樁腿沉降不勻、平臺傾斜、沖刷與淘空現(xiàn)象。同時，樁靴上部空腔破壞后坍塌的土體覆蓋在樁靴上部會加大拔樁作業(yè)的困難。對樁基貫入問題，國內(nèi)、外學者開展了大量研究［1-5］，但是對于自升式平臺樁靴的優(yōu)化設(shè)計涉及較少。樁靴結(jié)構(gòu)形式影響貫樁過程中樁側(cè)土體的回流機制［6］，現(xiàn)有樁靴結(jié)構(gòu)雖保證了平穩(wěn)貫樁，卻忽略了樁側(cè)土體回流機制對插拔作業(yè)的影響、支護結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的影響。吳賢國等［7］采用有限元方法研究了支護結(jié)構(gòu)對上部框架結(jié)構(gòu)—筏基—地基的共同作用體系的作用，研究認為支護結(jié)構(gòu)可以分擔建筑物的部分載荷，影響地基承載力，同時也增大了基礎(chǔ)內(nèi)力。楊光華［8］對深基坑支護結(jié)構(gòu)的受力和變形計算提出了一套系統(tǒng)的實用計算方法，較好地解決了基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算的關(guān)鍵問題，并已經(jīng)在工程實踐中成功應用。

與實際樁靴樁端承載比較發(fā)現(xiàn)，由于樁靴支護結(jié)構(gòu)的存在，影響了貫樁過程中樁側(cè)土體的回流形式。沿徑向和垂向分別選取優(yōu)化位置并分析，發(fā)現(xiàn)不同位置處樁靴支護結(jié)構(gòu)對樁端極限承載影響不同。

1　樁靴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1.1有限元數(shù)值模型

圖1　樁靴模型Fig.1　The spudcan model

圖2　地基網(wǎng)格模型Fig.2　The foundation mesh model

樁靴支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化位置沿徑向和垂向的分布如表1所示。表中：r'為徑向優(yōu)化位移至樁軸中心線的水平距離；r為樁靴半徑；H為樁靴貫入地基的深度，取H=6 m；h'為垂向優(yōu)化位置至樁靴上部的垂直距離。

表1　樁靴優(yōu)化位置Tab.1　The optimized position on spud can

1.2工程地質(zhì)條件

在以樁端極限承載力為研究重點的問題中，應考慮樁靴上部空腔破壞，土體回流對樁端承載的影響，因此在結(jié)構(gòu)強度設(shè)計中以樁靴上部完全被土體所覆蓋為原則來探究樁端極限承載力。由于土質(zhì)材料的不同，硬土空腔狀態(tài)不易發(fā)生破壞，不適宜探究樁端極限承載力問題。在插樁深度范圍內(nèi)的地基土主要由粘土、淤泥質(zhì)粘土和粉土構(gòu)成，為準確模擬樁基貫入過程及樁靴上部空腔形態(tài)結(jié)構(gòu)對樁端極限承載力的影響，對土質(zhì)參數(shù)進行軟化處理，將土質(zhì)結(jié)構(gòu)簡化為粘土屬性，如表2所示。

表2　土體參數(shù)Tab.2　The soil parameters

2　樁端承載力工程應用與研究

對優(yōu)化位置分別進行數(shù)值模擬計算、分析，發(fā)現(xiàn)樁靴支護結(jié)構(gòu)的存在改變了樁土貫入過程局部性能，但是沿垂向、徑向不同位置，貫樁阻力隨貫入深度的變化趨勢一致，樁端承載存在局部波動。即對樁靴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化并沒有改變樁端承載的趨勢，符合結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。圖3所示為沿樁靴垂向優(yōu)化位置貫入深度與樁端承載力示意圖，圖4所示為沿樁靴徑向優(yōu)化位置貫入深度與樁端承載力示意圖。

圖3　垂向優(yōu)化樁貫入阻力Fig.3　The spudcan penetration resistance on vertical optimized position

圖4　徑向優(yōu)化樁貫入阻力Fig.4　The spudcan penetration resistance on radial optimized position

2.1樁靴結(jié)構(gòu)沿徑向優(yōu)化設(shè)計

采用有限元數(shù)值模擬支護結(jié)構(gòu)對樁端極限承載力的影響，并與實際樁端承載進行比較。“勝利五號”自升式平臺樁靴樁端承載實際載重RF= 9 880 000 N，如圖5中虛線所示。

由圖5可知，同一徑向位置，樁靴支護結(jié)構(gòu)沿不同垂向位置優(yōu)化對樁端承載影響不同。其中，在徑向位置r'/r=0.6處，樁端極限承載力優(yōu)化效果最好；在r'/r=0.5，h/H=0.4和r'/r=0.7，h/H=0.4處，樁端極限承載力均超過了實樁樁端極限承載力；在r'/r=0.8處，樁端極限承載力小于實樁樁端極限承載力。

圖5　徑向位置r'/r=0.5，0.6，0.7，0.8處樁端極限承載力變化Fig.5　The spudcan bearing capacity at radial optimized position r'/r=0.5，0.6，0.7，0.8

可知，沿徑向樁端支護優(yōu)化由內(nèi)向外的樁端極限承載力是先增大后減小。在r'/r=0.6處，h/H=0.3，0.35，0.4處優(yōu)化達到預期效果。

2017年10月18日，在中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會上，習近平總書記首次提出“新時代中國特色社會主義思想”。十九大的召開，標志著中國步入了社會主義發(fā)展的新時代，在“新時代中國特色社會主義思想”中，建設(shè)文化強國，是實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢的前提和基礎(chǔ)。

2.2樁靴結(jié)構(gòu)沿垂向優(yōu)化設(shè)計

由圖6可知，同一垂向位置，樁靴支護結(jié)構(gòu)沿不同徑向位置優(yōu)化對樁端承載力的影響不同。其中，在垂向位置h/H=0.40，r'/r=0.6，0.7處，樁端極限承載力優(yōu)化效果最好；隨著垂向深度的增加，樁端極限承載力是先增大后減小。

圖6　垂向位置h/H=0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50處樁端極限承載力的變化Fig.6　The spudcan bearing capacity at vertical optimized position h/H=0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50

隨著垂向優(yōu)化位置變大，樁靴上部空腔體積先增大后減小，樁端極限承載力也是先增大后減小，其中在h/H=0.40，r'/r=0.6，0.7處優(yōu)化效果達到預期。

3　土體流動機理變化

3.1支護結(jié)構(gòu)對樁側(cè)土體流動的影響

貫樁過程中，樁側(cè)土體流動形式及樁靴上部空腔形態(tài)的變化對樁端承載力的影響很大。樁靴優(yōu)化前、后，樁靴上部從空腔形態(tài)開始破壞（圖7（a）、圖7（b））至空腔破壞穩(wěn)定狀態(tài)（圖7（c）、圖7（d））時樁靴上、下端面土體流動速度矢量圖如圖7所示。

圖7　樁靴上、下端面土體流動速度矢量分布Fig.7　The soil flow velocity vector distribution on the spudcan

貫樁初始階段至空腔開始破壞，樁靴下土體被擠入樁側(cè)，在樁側(cè)，土體有相當大的回旋速度。由于支護結(jié)構(gòu)的存在，改變了樁側(cè)土體的流動機制，支護結(jié)構(gòu)的存在導致空腔的破壞提前發(fā)生，并且樁側(cè)土體的回旋速度也較未優(yōu)化樁靴小，土體在空腔垂直剪切面破壞速度小。在樁土貫入過程中，樁側(cè)土體回流導致空腔垂直剪切面發(fā)生剪切破壞［11］。由空腔垂直剪切面破壞，導致該垂直面上的土體對樁靴上部端面有一定的速度沖擊。同時，樁端下部土體受壓被擠入樁側(cè)致樁靴下形成瞬態(tài)吸力［12］，導致在樁靴上、下端面形成速度逆差，由于該速度逆差的存在，導致貫樁過程中樁端承載呈現(xiàn)波動。若該速度逆差變大，易導致樁靴上部空腔坍塌破壞，不利于貫樁穩(wěn)定性。

至貫樁達到穩(wěn)定狀態(tài)，樁靴上部完全被土體覆蓋，空腔破壞形態(tài)穩(wěn)定，支護結(jié)構(gòu)的存在使樁側(cè)土體僅存在局部的土體回旋運動，土體表面運動穩(wěn)定。對于未優(yōu)化樁靴，其上端面存在垂直沖擊速度，同時樁靴下土體的分離速度比較激烈，貫樁速度仍有較大速差存在。

由樁靴上、下端面土體流動速度矢量圖可知，支護結(jié)構(gòu)的存在在一定程度上改變了樁側(cè)土體的流動形式，緩和了樁側(cè)土體的回旋運動，使得貫樁過程更加穩(wěn)定。

3.2樁靴上、下端面土體流速差

樁土貫入過程中，原始樁靴與優(yōu)化樁靴上、下端面的土體流動速度分布如圖8所示。貫樁初始階段，樁靴上、下端面土體流動速度及速度差較小。至空腔開始破壞時刻，貫樁深度達到臨界深度h=1.73 m后，樁靴下土體被擠入樁側(cè)，土體在樁側(cè)開始回流運動。樁靴上部空腔在回流土體的沖擊作用下，沿空腔垂直剪切面發(fā)生剪切破壞，樁靴上部土體回流速度變大；貫樁穩(wěn)定后，樁靴上、下端面土體流動穩(wěn)定。

圖8　樁靴上、下端面土體流動速度分布及相對速度Fig.8　The soil flow velocity distribution and the relative velocity at up and down the spudcan

樁靴支護結(jié)構(gòu)離樁軸中心線徑向位置越遠，樁靴上部空腔的破壞提前，樁側(cè)土體回旋運動越緩和?？涨黄茐暮笸馏w回流沖擊樁靴上端面的垂向速度分量變小，樁靴上、下端面速度逆差減小。樁靴支護結(jié)構(gòu)離樁靴端面水平線垂向位置越遠，空腔穩(wěn)定破壞前樁側(cè)土體回流至支護結(jié)構(gòu)后其速度垂向分量越小，但土體對樁軸的水平?jīng)_擊速度較大。

綜上所述，合理的樁靴支護結(jié)構(gòu)位置能夠增大貫樁過程中樁端極限承載力，在徑向優(yōu)化位置r'/r=0.6，垂向優(yōu)化位置h/H=0.40處，樁靴支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對樁端極限承載力貢獻最大。

4　結(jié)　論

通過有限元數(shù)值模擬分析樁靴支護結(jié)構(gòu)位置對樁側(cè)及空腔壁面土體流動特性和樁端極限承載力的影響，并同實際工程中樁端承載力進行比較、分析，得到以下結(jié)論：

1）樁靴支護結(jié)構(gòu)影響地基承載能力。樁靴支護結(jié)構(gòu)沿徑向位置優(yōu)化，距樁軸中心線由內(nèi)向外，樁端極限承載力是先增大后減?。粯堆ブёo結(jié)構(gòu)沿垂向位置優(yōu)化，距樁靴上端面由近及遠，樁端極限承載力是先增大后減小。

2）樁靴支護結(jié)構(gòu)的存在改變了樁靴上端面土體流動機理。離樁軸中心徑向位置越遠，樁靴上部空腔破壞越早；離樁靴上端面垂向位置越遠，樁靴上部土體的垂向分量越小。支護結(jié)構(gòu)的存在緩和了樁側(cè)土體的回旋速度，同時空腔壁面破壞后，土體沖擊樁靴上端面的速度變小，樁靴上、下端面土體流速差變小，更有利于穩(wěn)定的插樁作業(yè)。

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The effect of optimized structures on the spudcan bearing capacity

ZHANG Zhaode1，2，LV Guoxing1，2，ZHANG Xin1，2
1 School of Ship and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，China
2 Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang，Zhoushan 316022，China

Based on the engineering practice about the pile-soil penetration interaction of Shengli No.5 Jack-up in Bohai Bay，a numerical model for the pile-soil penetration process is established to investigate the bearing capacity of an optimized spudcan structure which is then compared to that of the real spudcan. The results show that the spudcan bearing capacity first increases and then decreases from inside to outside along the radial and vertical optimized position.At the radial r'/r=0.6 position and vertical h/H=0.4 posi?tion，the optimized structure satisfies expectation.It is concluded that the supports in reasonable positions can increase the spudcan bearing capacity and maintain the stability of the penetration process by changing the flow mechanism of soil，which decreases the impulse and velocity deficit of the soil at the top and bot?tom of the spudcan.

jack-up platform；spudcan；bearing capacity；supports；numerical simulation

U674.38+1；TU 473.1+1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.010

2015-05-11網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-3-17 10:56

國家自然科學基金資助項目（51179173，51379189）

張兆德，男，1964年生，博士，教授。研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)動力分析。

E-mail：zhangzhaode@163.com

呂國興（通信作者），男，1992年生，碩士生。研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)動力分析。

E-mail：1427997360@qq.com