蔡舒鵬，張永康※，金 曄，薛 馳，張 笛，霍小劍，林 峰

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.中鐵建港航局集團(tuán)有限公司，廣東珠海 519075；3.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇南通 226000；4.武漢理工大學(xué)，武漢 430070；5.武漢船用機(jī)械有限公司，武漢 430080）

0 引言

隨著人類對(duì)能源資源需求的不斷增長(zhǎng)以及陸地資源的逐步緊缺，人類活動(dòng)不斷向海洋延伸，世界各國(guó)紛紛把海洋作為獲取能源資源和發(fā)展經(jīng)濟(jì)的重要方向，通過(guò)海洋油氣開(kāi)發(fā)、海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)、港口碼頭建設(shè)、跨海大橋建設(shè)等發(fā)展向海經(jīng)濟(jì)。我國(guó)海岸線長(zhǎng)1.8萬(wàn)km，風(fēng)能資源豐富，據(jù)估計(jì)近?？砷_(kāi)發(fā)的風(fēng)能約7.5億kW，是陸地的2.96倍?！笆奈濉币?guī)劃中，我國(guó)將海上風(fēng)電作為解決能源危機(jī)、降低環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的國(guó)家戰(zhàn)略。

近年來(lái)，隨著國(guó)家“雙碳目標(biāo)”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)建設(shè)速度也明顯加快，海上風(fēng)電場(chǎng)的選址逐漸向離岸更遠(yuǎn)、水深更大的方向發(fā)展[1-5]。在海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中，基礎(chǔ)施工是項(xiàng)目建設(shè)中最重要的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，單樁基礎(chǔ)作為樁基形式的重要種類，在海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中占據(jù)相當(dāng)比例。海上打樁作業(yè)一般由大型起重船或平臺(tái)作為載體，利用其上的起重機(jī)通過(guò)液壓錘吊打方式進(jìn)行海上風(fēng)電高樁承臺(tái)樁和導(dǎo)管架樁等施工[6]。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)離岸距離的不斷提升，單樁基礎(chǔ)中樁的尺度參數(shù)也在向著超長(zhǎng)超大和超重方向發(fā)展，關(guān)于超大直徑單樁貫入土體過(guò)程中海水的涌入及土的力學(xué)響應(yīng)的研究還相對(duì)較少[7-10]，因此研究超大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁-土-水相互之間的耦合效應(yīng)有非常重要的意義。

國(guó)外學(xué)者對(duì)樁-土之間的相互作用進(jìn)行了廣泛深入的研究，宋玉普等[11]考慮樁-土結(jié)構(gòu)的耦合作用對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，張兆德等[12]比較了ALE（Arbitrary Lagrangian Eulerian）和CEL（Coupled Eulerian Lagrangian）方法在計(jì)算巖土貫入問(wèn)題時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)ALE算法相比CEL算法更能夠保證土應(yīng)力的穩(wěn)定性，并能夠保證材料-邊界-網(wǎng)格的一致性運(yùn)動(dòng)，但在預(yù)測(cè)樁端極限承載力時(shí)結(jié)果偏大。王志強(qiáng)等[13]基于LSDYNA通過(guò)ALE算法對(duì)靜壓?jiǎn)螛冻翗哆^(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真，并討論了樁頭錐角、樁土摩擦因數(shù)和土壤分層對(duì)實(shí)心樁沉樁擠土效應(yīng)的影響。王娜娜等[14]基于LS-DYNA通過(guò)ALE算法研究了小尺寸混凝土樁打樁動(dòng)力下沉過(guò)程中土體的應(yīng)力、變形和擠土效 應(yīng)。Hamann等[15]基 于ABAQUS通 過(guò)CEL算 法研究 了土壤在部分排水的情況下的沉樁過(guò)程，并研究了滲透率對(duì)沉樁和周圍土壤壓力的影響。Wang等[16]研究了超大直徑鋼管樁在動(dòng)態(tài)打樁的軸向力作用下面臨的屈曲變形風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)控制橢圓度在30 mm以下對(duì)于減小鋼管樁屈曲具有重要意義。

大尺寸單樁的動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程如圖1所示。

圖1 大尺寸單樁的動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程

本文旨在通過(guò)多物質(zhì)ALE流固耦合方法對(duì)海上風(fēng)機(jī)大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真分析。以江蘇啟東H3海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中的沉樁為工程背景，使用商用有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行建模，對(duì)動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中土體的應(yīng)力、應(yīng)變、體積分?jǐn)?shù)以及沉樁阻力的變化規(guī)律進(jìn)行仿真分析。為海上風(fēng)機(jī)大直徑單樁的動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程提供數(shù)值仿真建模參考和實(shí)用的分析方法。

1 多物質(zhì)ALE流固耦合算法的原理

1976年，美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室J O Hallquist博士主持開(kāi)發(fā)完成DYNA程序系列，最初是作為軍工上武器設(shè)計(jì)的分析工具。后來(lái)其版本和功能經(jīng)過(guò)不斷地更新和完善，使得DYNA程序的應(yīng)用范圍逐漸從軍事推廣到民用、商業(yè)等更多領(lǐng)域。在1988年，Hallquist創(chuàng)建了LSTC公司，將DYNA程序引入商業(yè)化發(fā)展軌道，并將之更名為L(zhǎng)S-DYNA；1997年LSTC公司并與ANSYS公司合作，實(shí)現(xiàn)了LS-DYNA與ANSYS前后處理的連接，大大加強(qiáng)了LS-DYNA的前后處理能力和通用性，同時(shí)新開(kāi)發(fā)了后處理程序LS-POST，極大地促進(jìn)了LS-DYNA的發(fā)展。

LS-DYNA是非線性顯示動(dòng)力學(xué)的鼻祖和先驅(qū)，其具有Lagrange、Euler和ALE算法，Lagrange算法的單元網(wǎng)格附著在材料上，隨著材料的流動(dòng)而產(chǎn)生單元網(wǎng)格的變形。但是在結(jié)構(gòu)變形過(guò)于巨大時(shí)，有可能使有限元網(wǎng)格造成嚴(yán)重畸變，引起數(shù)值計(jì)算的困難，甚至程序終止運(yùn)算。ALE算法和Euler算法可以克服單元嚴(yán)重畸變引起的數(shù)值計(jì)算困難，并實(shí)現(xiàn)流體-固體耦合的動(dòng)態(tài)分析。3種算法的主要特點(diǎn)如下。

ALE算法先執(zhí)行一個(gè)或幾個(gè)Lagrange時(shí)步計(jì)算，此時(shí)單元網(wǎng)格隨材料流動(dòng)而產(chǎn)生變形，然后執(zhí)行ALE時(shí)步計(jì)算：（1）保持變形后的物體邊界條件，對(duì)內(nèi)部單元進(jìn)行重分網(wǎng)格，網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系保持不變，稱為Smooth Step；（2）將變形網(wǎng)格中的單元變量（密度、能量、應(yīng)力張量等）和節(jié)點(diǎn)速度矢量輸運(yùn)到重分后的新網(wǎng)格中，稱為Advection Step。

Euler算法則是材料在一個(gè)固定的網(wǎng)格中流動(dòng)，在LS-DYNA中只要將有關(guān)實(shí)體單元標(biāo)志Euler算法，并選擇輸運(yùn)（Advection）算法。LS-DYNA還可將Euler網(wǎng)格與全Lagrange有限元網(wǎng)格方便地耦合，以處理流體與結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜載荷條件下的相互作用問(wèn)題。

為了說(shuō)明問(wèn)題，以一個(gè)2D的長(zhǎng)方形變形為例來(lái)說(shuō)明[17]。對(duì)于同一個(gè)物理過(guò)程，可以用不同的方式來(lái)描述：A Lagrangian，B Eulerian，C ALE，分別以上面3種方式來(lái)分別描述該物體的變形，分析其差別，如圖2所示[17]。

圖2 Lagrangian、Eulerian和ALE算法描述同一個(gè)物體變形時(shí)的區(qū)別

經(jīng)過(guò)一個(gè)dt的時(shí)間變化后，比較3種描述的構(gòu)形變化。

（1）A Lagrangian：對(duì)于拉格朗日描述，空間網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)與假想的材料點(diǎn)是一致的，也就是說(shuō)，網(wǎng)格變形，材料也跟著網(wǎng)格變形，如圖2中A所示，所以對(duì)于大變形情況，網(wǎng)格可能發(fā)生嚴(yán)重畸變。

（2）B Eulerian：對(duì)于歐拉描述，兩層網(wǎng)格重疊在一起，一層空間網(wǎng)格固定在空間中不動(dòng)，另一層附著在材料上隨材料在固定的空間網(wǎng)格中流動(dòng)，并通過(guò)下面兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)：首先，材料網(wǎng)格以一個(gè)拉格朗日步變形（像所描述的那樣）；然后拉格朗日單元的狀態(tài)變量被映射或輸送回到固定的空間網(wǎng)格中去。這樣網(wǎng)格總是不動(dòng)和不變形的，相當(dāng)于材料在網(wǎng)格中流動(dòng)，如圖2中B所示，從而可以處理流體流動(dòng)等大變形問(wèn)題。

（3）C ALE：對(duì)于ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，任意拉格朗日-歐拉）描述，與歐拉描述一樣，有兩層網(wǎng)格重疊在一起，但空間網(wǎng)格可以在空間任意運(yùn)動(dòng)，其余與歐拉描述一樣，有物質(zhì)的輸送在兩層網(wǎng)格中發(fā)生。如圖2中C所示，該方法可以整個(gè)物體有空間上的大位移，并且本身有大變形的非線性問(wèn)題，如鳥(niǎo)撞飛機(jī)等問(wèn)題。

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工時(shí)的動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程會(huì)使樁周圍的土體產(chǎn)生大變形，若采用傳統(tǒng)的Lagrange算法，就會(huì)導(dǎo)致在模擬計(jì)算過(guò)程網(wǎng)格嚴(yán)重畸變、求解時(shí)間步長(zhǎng)不斷減小，結(jié)果精度降低，甚至計(jì)算不收斂。因此，通過(guò)上述分析，可以采用ALE任意拉格朗日歐拉法將土體看成可流動(dòng)的流體，而在空間上具有大位移的樁體為固體，土體網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)和樁體的運(yùn)動(dòng)分別獨(dú)立描述，從而避免了土體網(wǎng)格產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變。

2 有限元ALE流固耦合模型的建立

2.1 材料本構(gòu)模型

2.1.1 土壤材料模型

LS-DYNA中提供的可以用來(lái)模擬土壤的材料模型有20多種，其中最常用的是5號(hào)材料模型，對(duì)應(yīng)關(guān)鍵字*MAT_SOIL_AND_FOAM。該模型能通過(guò)合理的試驗(yàn)來(lái)確定其相關(guān)的材料參數(shù)，還能夠可靠地預(yù)測(cè)土壤的彈性性能、體積壓縮性能及其特殊的屈服特性，而且所需參數(shù)較少，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，因此本文也采用該材料本構(gòu)模型。

該材料模型遵循屈服面無(wú)應(yīng)變強(qiáng)化的修正Mohr-Coulomb塑性模型，其非線性D-P屈服函數(shù)φ是靜水壓力的二次函數(shù)，表示為：

J2為應(yīng)力偏張量不變量，可由下式計(jì)算得到：

而應(yīng)力偏張量σ′ij與材料的靜水壓力有關(guān)，表示為：

其中靜水壓力σm可以通過(guò)3個(gè)方向的主應(yīng)力計(jì)算得到：

具體的材料參數(shù)如表1和表2所示。

表1 土壤材料的壓力-體積應(yīng)變對(duì)應(yīng)曲線值

表2 SOIL_AND_FOAM材料模型的參數(shù)及取值

2.1.2 樁體的材料模型

本文研究的樁體可以設(shè)置為線彈性材料或彈塑性材料，但因?yàn)橹饕芯繉?duì)象是土體，而樁體的彈性模量比土體大得多，為了簡(jiǎn)化模型，減少計(jì)算時(shí)間，樁采用線彈性剛體模型，對(duì)應(yīng)LS-DYNA中的20號(hào)材料模型，對(duì)應(yīng)關(guān)鍵字*MAT_020_RIGID，詳細(xì)的材料參數(shù)如表3所示。這里需要注意的是，根據(jù)實(shí)際工況，目前現(xiàn)場(chǎng)最大的打樁錘質(zhì)量可達(dá)200 t，如果采用實(shí)心樁體建模，要控制其密度參數(shù)，使其質(zhì)量達(dá)到約200 t，避免產(chǎn)生過(guò)大的慣性效應(yīng)。

表3 樁體的材料模型參數(shù)

2.1.3 空物質(zhì)材料模型

在樁體打入土體的過(guò)程中，由于占據(jù)了一部分土體的體積，土體上部靠近樁的部分會(huì)有隆起或下沉，引起“土拱效應(yīng)”，為了讓土體可以向上方流動(dòng)，需要在土體上方預(yù)先定義一定厚度的空物質(zhì)層，該層包含的物質(zhì)材料可以為水，也可以為空氣，其強(qiáng)度和剛度都為0，以此來(lái)容納上部土體的變形，因?yàn)楸疚难芯康氖呛Ｉ系拇驑哆^(guò)程，所以空物質(zhì)材料選取水及對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程?？瘴镔|(zhì)材料在LS-DYNA中使用關(guān)鍵字*MAT_NULL定義，密度為1 000 kg/m3，狀態(tài)方程使用關(guān)鍵字*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL定義，具體參數(shù)如表4所示。

表4 空物質(zhì)材料水的狀態(tài)方程參數(shù)

2.2 邊界條件及ALE流固耦合定義

本文建立的有限元模型如圖3所示，其中樁體為圓柱實(shí)體模型，單元類型為SOLID164，而土和空氣單元類型也均為SOLID164。樁體的半徑為3 m，樁長(zhǎng)度為25 m；通常情況下研究打樁過(guò)程地基土體應(yīng)該為半無(wú)限大體，但在有限元建模中顯然不可按照實(shí)際情況建立，相關(guān)研究成果表明動(dòng)態(tài)打樁對(duì)土體的水平影響范圍一般在10倍樁徑以內(nèi)，因此土體的水平邊界取30 m，豎向取樁長(zhǎng)度的1.2倍，即30 m；同時(shí)在土體上方定義了厚度為5 m的空物質(zhì)層，意味著水深為5 m，同時(shí)讓土體可以向上方流動(dòng)。以樁底端為坐標(biāo)原點(diǎn)，樁受打擊方向?yàn)閆軸負(fù)方向建立有限元模型，為減少單元和降低計(jì)算量，樁和土體均采用1/4模型，在對(duì)稱邊界上分別設(shè)置對(duì)稱邊界條件，即在X面上限制X向的平動(dòng)、Y和Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)，在Y面上限制Y向的平動(dòng)、X和Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)；在土體外側(cè)使用關(guān)鍵字*NON-REFLECTING_BOUNDARY定義非反射邊界條件，這樣由樁產(chǎn)生的應(yīng)力波在到達(dá)土體邊界時(shí)不會(huì)被反射，以達(dá)到半無(wú)限大體的效果。

在ALE流固耦合仿真中還需要通過(guò)關(guān)鍵字*ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP定義多物質(zhì)材料組分，這樣在計(jì)算中界面重構(gòu)時(shí)這兩種組分可以互相混合。在本分析中，可流動(dòng)的組分為土壤和水。在ALE流固耦合仿真中沒(méi)有摩擦和接觸部分的定義，但與之對(duì)應(yīng)的是關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID，其中SLAVE ID為拉格朗日描述的實(shí)體，即為樁，而MASTER ID則為ALE描述的實(shí)體，即為土壤和水，通過(guò)該關(guān)鍵字的定義，可以建立流體和結(jié)構(gòu)之間相互作用的耦合機(jī)制。

建立好的模型單元總數(shù)為55 500個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為61 422個(gè)，樁與土壤接觸部分采用細(xì)化網(wǎng)格，其余部分采用均勻劃分的網(wǎng)格，如圖3的縮略圖所示。其中綠色實(shí)體為樁體，藍(lán)色實(shí)體為空物質(zhì)層（水層），紅色部分為土壤。

圖3 1/4樁-土有限元模型及樁頭處的網(wǎng)格劃分示意圖

3 大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程數(shù)值仿真

大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程采用LS-DYNA進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析，其中土壤的自重采用動(dòng)態(tài)松弛方法施加，對(duì)土壤施加恒定的Z向重力加速度-9.8 m/s2，對(duì)應(yīng)關(guān)鍵字為*LOAD_BODY_Z，并使用關(guān)鍵字*CONTROL_DYNAMIC_RELAXATION使重力載荷以動(dòng)態(tài)松弛的方法施加；然后使用關(guān)鍵字*DEFINE_CURVE在樁頂施加三角波壓力載荷，最大錘擊力為2 000 kN，因?yàn)楸疚闹饕芯縿?dòng)態(tài)打樁過(guò)程中的樁-土相互作用，所以這里采用了簡(jiǎn)化模型，沒(méi)有考慮液壓打樁錘的沖擊載荷作用在樁體時(shí)的能量和應(yīng)力波的傳遞，而是將沖擊載荷直接作用在樁體上部，樁頂壓力載荷-時(shí)間曲線如圖4所示。

圖4 樁頂壓力載荷-時(shí)間曲線

3.1 土體應(yīng)力場(chǎng)分析

大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁貫入不同深度時(shí)土體的徑向應(yīng)力場(chǎng)（x向）分布如圖5所示?？梢钥吹皆跇抖烁浇耐馏w有明顯的應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力分量的等值線具有類似于“應(yīng)力泡”的層狀結(jié)構(gòu)，這表明樁端土體具有類似球形的擴(kuò)張形式。樁尖下的徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力，其值隨著貫入深度的增加而增大，“應(yīng)力泡”的影響范圍大致為5R，其中R為基樁半徑。在樁尖下面6R時(shí)，徑向應(yīng)力迅速?gòu)母叨葔嚎s的狀態(tài)減小到0。

圖5 單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁貫入不同深度時(shí)土體的徑向應(yīng)力場(chǎng)分布（單位：Pa）

大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁貫入不同深度時(shí)土體的豎向應(yīng)力場(chǎng)（z向）分布如圖6所示?？梢钥吹綐都庀碌呢Q向應(yīng)力也為壓應(yīng)力，其“應(yīng)力泡”接近于橢圓形，相較于徑向“應(yīng)力泡”，其在徑向的影響范圍要小，大致為2.5R，但其豎直方向的影響范圍更深，可達(dá)8R。

圖6 單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁貫入不同深度時(shí)土體的豎向應(yīng)力場(chǎng)分布（單位：Pa）

大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁貫入不同深度時(shí)土體的切向應(yīng)力場(chǎng)（xz向）分布如圖7所示?？梢钥吹綐抖松舷碌膽?yīng)力符號(hào)相反，下端為拉應(yīng)力，上端為壓應(yīng)力，整體呈“X”形狀，并相較于樁尖附近，影響范圍大致為8R。

圖7 單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁貫入不同深度時(shí)土體的切向應(yīng)力場(chǎng)分布（單位：Pa）

大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁貫入不同深度時(shí)土體的等效應(yīng)力場(chǎng)分布如圖8所示?？梢钥吹降刃?yīng)力在樁尖下部取得最大值，其“應(yīng)力泡”形狀接近于心形，水平影響范圍為4R，豎直影響范圍最大可達(dá)8R。

圖8 單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁貫入不同深度時(shí)土體的等效應(yīng)力場(chǎng)分布（單位：Pa）

橫向比較不同貫入深度下的各應(yīng)力等值線的數(shù)值變化，發(fā)現(xiàn)隨著貫入深度的增加，樁尖處的壓應(yīng)力也在逐漸增大，但各應(yīng)力集中區(qū)的影響范圍和等值線的輪廓形狀變化不大，說(shuō)明動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程對(duì)土壤的影響范圍是有限的。

3.2 土體應(yīng)變場(chǎng)分析

大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁貫入不同深度時(shí)土體的等效塑性應(yīng)變場(chǎng)分布如圖9所示?？梢钥吹綐抖烁浇牡刃苄詰?yīng)變大于樁側(cè)的等效塑性應(yīng)變，等效塑性應(yīng)變?cè)跇都庀虏咳〉米畲笾?，隨著樁端的貫入，樁周圍的土體逐漸受到壓縮，在達(dá)到屈服應(yīng)力后開(kāi)始產(chǎn)生塑性應(yīng)變并形成塑性變形區(qū)，形成了類似于“水滴狀”的塑性變形區(qū)，隨著貫入深度的增加，塑性變形區(qū)也逐漸增大，證明有更大范圍的土體被擾動(dòng)破壞，并發(fā)生了不同程度的塑性變形。

圖9 單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁貫入不同深度時(shí)土體的等效塑性應(yīng)變場(chǎng)分布

3.3 土體體積分?jǐn)?shù)分析

樁土在ALE流固耦合分析時(shí)，歐拉網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和與材料節(jié)點(diǎn)是分離的，因此網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置變化并不能反映材料節(jié)點(diǎn)的位置變化，所以不能通過(guò)觀察網(wǎng)格變形來(lái)得到物質(zhì)的變形情況，但可以通過(guò)查看材料在網(wǎng)格中的體積分?jǐn)?shù)的等值線來(lái)查看多物質(zhì)材料的分界面情況，通過(guò)LS-PrePost后處理軟件得到的大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁貫入不同深度時(shí)土體的體積分?jǐn)?shù)分布如圖10所示。圖中紅色部分代表該區(qū)域土體的體積分?jǐn)?shù)為1，而藍(lán)色部分代表該區(qū)域水的體積分?jǐn)?shù)為1。隨著樁體的不斷下沉，樁周的土體被不斷擠開(kāi)，并且樁周附近開(kāi)始有水貫入，在水和土壤界面處土壤呈“開(kāi)口狀”，在距離樁身一定水平距離之外的土壤有微微隆起，這是受樁傳遞的應(yīng)力沖擊波所擠壓的部分土體產(chǎn)生了位移。

圖10 單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁貫入不同深度時(shí)土體的體積分?jǐn)?shù)分布

3.4 打樁阻力分析

樁-土之間的作用力可以通過(guò)二進(jìn)制文件dbfsi輸出，在k文件中通過(guò)設(shè)置關(guān)鍵字*DATABASE_FSI進(jìn)行激活，圖11所示為單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁-土之間的阻力變化?？梢?jiàn)隨著每次錘擊的進(jìn)行，樁貫入土體的深度增加，所受到的阻力也不斷增加，但每次擊打過(guò)后，由于應(yīng)力波的反射作用和土體受壓縮出現(xiàn)的塑性屈服，樁會(huì)出現(xiàn)一定的反向位移，即回彈，從而導(dǎo)致沉樁阻力減小。如在0～1 s內(nèi)樁上端壓力從最大值逐漸減小為零，樁體受到不斷減小的動(dòng)態(tài)壓力和不斷增大的阻力的共同作用，因此會(huì)先向下移動(dòng)一段距離再向上回彈一段距離，直到第二個(gè)階段1～2 s樁上端的壓力又開(kāi)始逐漸增大，使樁重新開(kāi)始向下移動(dòng)。

圖11 單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁-土之間的阻力變化

需要注意的是，本文暫未考慮土的孔隙水壓力對(duì)沉樁阻力造成的影響。在實(shí)際工程操作中，打樁過(guò)程中樁周土體會(huì)積累很大的超靜孔隙水壓力，使樁周一定范圍內(nèi)土體發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象，導(dǎo)致樁周土體排水固結(jié)及強(qiáng)度恢復(fù)速度加快，停錘時(shí)間越長(zhǎng)，土體強(qiáng)度恢復(fù)程度越大，造成后繼打樁困難甚至拒錘現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用商用有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行建模，通過(guò)多物質(zhì)ALE流固耦合方法對(duì)海上風(fēng)機(jī)大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。研究了大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中樁-土-水相互之間的耦合效應(yīng)，得到了動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程中土體的應(yīng)力、應(yīng)變、體積分?jǐn)?shù)以及沉樁阻力的變化規(guī)律，其結(jié)論如下。

（1）在樁端附近的土體有明顯的應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力分量的等值線具有類似于“應(yīng)力泡”的層狀結(jié)構(gòu)，這表明樁端土體具有類似球形的擴(kuò)張形式。發(fā)現(xiàn)隨著貫入深度的增加，樁端處的壓應(yīng)力也在逐漸增大，但各應(yīng)力集中區(qū)的影響范圍和等值線的輪廓形狀變化不大，說(shuō)明動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程對(duì)土壤的影響范圍是有限的。

（2）樁端附近的等效塑性應(yīng)變大于樁側(cè)的等效塑性應(yīng)變，等效塑性應(yīng)變?cè)跇抖讼虏咳〉米畲笾?，隨著樁端的貫入，樁周圍的土體逐漸受到壓縮，在達(dá)到屈服應(yīng)力后開(kāi)始產(chǎn)生塑性應(yīng)變并形成塑性變形區(qū)，形成了類似于“水滴狀”的塑性變形區(qū)，隨著貫入深度的增加，塑性變形區(qū)也逐漸增大，證明有更大范圍的土體被擾動(dòng)破壞，并發(fā)生了不同程度的塑性變形。

（3）隨著樁體的不斷下沉，樁周的土體被不斷擠開(kāi)，并且樁周附近開(kāi)始有水貫入，在水和土壤界面處土壤呈“開(kāi)口狀”，在距離樁身一定水平距離之外的土壤有微微隆起，這是受樁傳遞的應(yīng)力沖擊波所擠壓的部分土體產(chǎn)生了位移。

（4）隨著每次錘擊的進(jìn)行，樁貫入土體的深度增加，所受到的阻力也不斷增加。但每次擊打過(guò)后，由于應(yīng)力波的反射作用和土體受壓縮出現(xiàn)的塑性屈服，樁體會(huì)先向下移動(dòng)一段距離再向上回彈一段距離，從而導(dǎo)致沉樁阻力先增大后減小，直到下一錘擊又開(kāi)始。