沈錦寧,楊 樂

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 310014;2.徐州市市政設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇 徐州 221000）

海洋平臺(tái)大直徑鋼管樁打樁過程有限元的研究

沈錦寧1,楊 樂2

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 310014;2.徐州市市政設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇 徐州 221000）

在發(fā)展速度極快的當(dāng)今社會(huì)，無論是海上工程還是其他工程，整體規(guī)模普遍呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，這是社會(huì)發(fā)展的必然結(jié)果，工程作業(yè)難度自然也會(huì)有所提升。文章以海洋平臺(tái)作為研究活動(dòng)開展的背景，首先根據(jù)實(shí)際情況建立了相應(yīng)的有限元模型，并應(yīng)用PLAXIS軟件對(duì)滿足不同條件的打樁過程進(jìn)行了相應(yīng)的動(dòng)力模擬分析，然后通過理論與實(shí)際相結(jié)合的方式，針對(duì)有限元模型所開展試驗(yàn)得出的結(jié)果進(jìn)行分析，最終得出了相應(yīng)的結(jié)論，供相關(guān)人員參考。

海洋平臺(tái)；大直徑鋼管樁；打樁過程；有限元模型

0 引言

隨著海洋工程發(fā)展速度的逐漸加快，海上工程規(guī)模普遍呈現(xiàn)除了增大的趨勢(shì)，因此，為了對(duì)海洋工程具有的需要進(jìn)行最大程度的滿足，在對(duì)樁基進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)將大直徑、大長(zhǎng)度鋼管樁作為首選，打樁過程的復(fù)雜程度便會(huì)隨之增加。有限元法在對(duì)涉及復(fù)雜邊界、非線性等條件的問題進(jìn)行處理時(shí)，具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用在對(duì)打樁過程進(jìn)行分析的過程中，能夠在一定程度上提升在海洋平臺(tái)上開展的大直徑鋼管樁打樁工作的準(zhǔn)確性。

1 建立有限元模型

作為典型的動(dòng)力過程，在對(duì)打樁過程進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，較常應(yīng)用的軟件為PLAXIS軟件。受動(dòng)力荷載作用影響，在特定時(shí)刻，系統(tǒng)動(dòng)力平衡方程如下：

在上文所提及的方程式中，M代表的是系統(tǒng)總質(zhì)量矩陣；C代表的是系統(tǒng)阻尼矩陣；K代表的是系統(tǒng)剛度矩陣；{δ2}代表的是結(jié)點(diǎn)加速度；{δ1}代表的是結(jié)點(diǎn)速度；{δ}代表的是結(jié)點(diǎn)位移向量；{F(t)}代表的是荷載向量。系統(tǒng)總質(zhì)量矩陣M與系統(tǒng)剛度矩陣K的共同點(diǎn)在于，二者均是通過對(duì)所對(duì)應(yīng)單元質(zhì)量矩陣與單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行集合的方式而建立起來的，與二者不同的是，系統(tǒng)阻尼矩陣C的建立則需要其他參數(shù)的參與[1]。但是由于系統(tǒng)阻尼矩陣所需參數(shù)往往無法通過試驗(yàn)的方式得出，因此，在有限元模型中，系統(tǒng)阻尼矩陣C通常作為系統(tǒng)總質(zhì)量矩陣M與系統(tǒng)剛度矩陣K所對(duì)應(yīng)的函數(shù)而存在，具體方程式如下：

在上文所提及的方程式中，α和β代表的是比例系數(shù)。需要注意一點(diǎn)，在應(yīng)用二維軸對(duì)稱的有限元模型對(duì)打樁過程進(jìn)行模擬時(shí)，由于所選取有限元模型較大，因此，對(duì)所采用約束模式具有一定的要求：兩側(cè)邊界所采用約束模式應(yīng)為水平約束，底部邊界所采用約束模式則將固定約束作為首選。作為典型的動(dòng)力問題，打樁過程中，土體內(nèi)部往往會(huì)激起相應(yīng)的振動(dòng)波，但是由于土體的實(shí)質(zhì)為半無限大介質(zhì)，所以，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)將吸收邊界在遠(yuǎn)場(chǎng)域進(jìn)行設(shè)置，這樣做的目的是避免模型邊界處出現(xiàn)振動(dòng)波反射的情況，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。除此之外，將吸收邊界分別設(shè)置在有限元模型的底部和右側(cè)也是很有必要的。

2 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析

2.1 打樁過程中土體的響應(yīng)

本文在對(duì)土體在連續(xù)打樁過程中發(fā)生的變化進(jìn)行研究時(shí)，所采取的研究方法為：以不排水為前提，連續(xù)三次對(duì)樁體進(jìn)行力度恒定的錘擊，在完成相關(guān)試驗(yàn)后，對(duì)土體響應(yīng)進(jìn)行分析，具體分析結(jié)果如下：

2.1.1 土體位移情況

通過對(duì)連續(xù)錘擊后土體發(fā)生水平、豎向位移所對(duì)應(yīng)云紋圖進(jìn)行分析能夠看出，豎向位移最大的區(qū)域?yàn)闃抖颂帲硗?，發(fā)生豎向位移的區(qū)域還包括土塞。實(shí)踐結(jié)果表明，若所應(yīng)用鋼管樁的樁徑＞1200mm，那么，土塞通常情況下不會(huì)在打樁過程中出現(xiàn)閉合的現(xiàn)象。受樁體擠土作用影響，位于樁端下部區(qū)域內(nèi)的土體，往往會(huì)沿著徑向進(jìn)行水平移動(dòng)，移動(dòng)距離則隨著與樁端距離的縮進(jìn)而增大。在連續(xù)錘擊的過程中，位于樁端區(qū)域的土體豎向的位移會(huì)隨著錘擊數(shù)量的增多和加大，另外，位于樁外側(cè)區(qū)域的土體，也會(huì)出現(xiàn)一定程度上的位移。

2.1.2 超孔隙水壓力

通過實(shí)踐能夠發(fā)現(xiàn)，樁周土體內(nèi)部會(huì)伴隨著打樁過程產(chǎn)生超孔隙水壓力，越靠近樁端處的土體，其內(nèi)部所產(chǎn)生超孔隙水壓力就會(huì)越大，換句話說，產(chǎn)生超孔隙水壓力的部分主要集中在樁端以及土塞下半部分這兩個(gè)區(qū)域、在連續(xù)打樁的過程中，隨著超孔隙水壓力的積累，受其影響的區(qū)域也就會(huì)變得越來越大，具體表現(xiàn)為：由最初的土塞下半部分向上半部分?jǐn)U展，由最初的中心區(qū)域向四周擴(kuò)展。當(dāng)然，隨著超孔隙水壓力所在區(qū)域和樁軸線之間距離的逐漸增加，壓力數(shù)值也會(huì)有所衰減，但是其影響范圍始終被控制在樁徑3倍這一范圍內(nèi)。

2.2 受錘擊力作用，樁頂?shù)募铀俣?、速度和豎向位移

在對(duì)樁頂加速度、速度和豎向位移的變化進(jìn)行研究時(shí)，如果想要保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，關(guān)鍵在于對(duì)樁頂錘擊力所對(duì)應(yīng)振幅的數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，本文將振幅F設(shè)為20000kPa、40000kPa和60000kPa，再以此為基礎(chǔ)，對(duì)受不同錘擊力作用產(chǎn)生的樁頂加速度、速度和豎向位移數(shù)值進(jìn)行研究。

研究結(jié)果表明，首先，樁體位移只有達(dá)到最大數(shù)值并發(fā)生回彈后，才能夠趨于穩(wěn)定，與回彈量密切相關(guān)的因素主要為土體性質(zhì)；其次，樁體位移所具有的滯后效應(yīng)也是較為明顯的；最后，樁體貫入量往往會(huì)隨著錘擊力的增加而增大。另外，受土體抗力影響，樁體會(huì)在樁頂荷載數(shù)值減小至零時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的反向加速度，但加速度數(shù)值并非產(chǎn)生之初就十分穩(wěn)定的，而是需要經(jīng)過幾次波動(dòng)，才能趨于穩(wěn)定；若錘擊力增加，樁頂?shù)募铀俣纫约八俣葦?shù)值也會(huì)有所增加，想要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要花費(fèi)的時(shí)間也更長(zhǎng)。

3 結(jié)論

通過對(duì)上文所敘述的內(nèi)容進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)大規(guī)模海上工程而言，大直徑、大長(zhǎng)度鋼管樁是在對(duì)樁基進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不可或缺的部分，在對(duì)大直徑鋼管樁進(jìn)行打樁時(shí)，往往需要涉及到邊界非線性、幾何非線性等傳統(tǒng)打樁工作涉及不到的復(fù)雜問題，打樁難度也隨之增加。文章主要對(duì)打樁過程中土體響應(yīng)、樁頂加速度、速度和豎向位移這幾個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行了分析，希望能夠在某些方面為海洋平臺(tái)上針對(duì)大直徑鋼管樁所開展的打樁工作提供幫助。

[1]劉劍濤,李颯.海洋平臺(tái)大直徑鋼管樁打樁過程有限元分析研究[J].海洋工程,2015(3306):90-94.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.092