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        海上風(fēng)機(jī)大直徑單樁動(dòng)態(tài)打樁過(guò)程數(shù)值仿真分析*

        2022-11-27 10:34:58蔡舒鵬張永康霍小劍
        機(jī)電工程技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:變形模型

        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。

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