□□ 魏 鑫,劉 煒 (.山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司),山西 太原 030006;.山西工程科技職業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,山西 晉中 03069)

引言

在深水海洋油氣開發(fā)工程中包括大量的水下結(jié)構(gòu)物,如海底管道終端設(shè)備(PLET、PLEM)和管匯(Manifold)等,水下生產(chǎn)設(shè)施廣泛采用重力基礎(chǔ)作為永久性基礎(chǔ),重力式基礎(chǔ)作為一種淺基礎(chǔ),其抵抗側(cè)向載荷的能力較弱,且容易受到海底流作用而發(fā)生沖刷和沉降[1]。采用裙板形式將淺基礎(chǔ)貫入到一定深度,可以提高其側(cè)向穩(wěn)定性,同時對防止海水沖刷也起到一定的作用。水下設(shè)施的淺基礎(chǔ)上布置型鋼或者加強(qiáng)筋可以提高基礎(chǔ)的剛度,保證通過吊放下水安裝時,吊點可以作用在基礎(chǔ)上[2]。國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中并未對該類帶特殊裙板的重力基礎(chǔ)設(shè)計做詳細(xì)的計算描述。有限元方法在水下結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)分析中得到了廣泛應(yīng)用。劉潤等[3]對黏土中的筒型基礎(chǔ)進(jìn)行了有限元計算;針對海上風(fēng)電用筒型基礎(chǔ),詹云剛[4]和丁紅巖等[5]采用有限元方法對承載力進(jìn)行了計算;王明顯等[6]、吳景健等[7]和王虎剛[8]對導(dǎo)管架平臺的重力基礎(chǔ)承載力進(jìn)行了理論計算和分析;范慶來等[9]對淺基礎(chǔ)的承載力,采用復(fù)合加載模式進(jìn)行數(shù)值研究;國內(nèi)對于水下設(shè)施淺基礎(chǔ)集中于承載力研究,有必要對于貫入特征和側(cè)向穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)的理論計算和數(shù)值分析,以保證基礎(chǔ)的設(shè)計可靠性。

1 理論計算

某水下結(jié)構(gòu)物重力基礎(chǔ)如圖1所示,型鋼位于基礎(chǔ)以下,可起到部分裙板作用,但是此時受力面積較大,對于貫入要求較高的此類新型淺基礎(chǔ),可能需要加配重或者負(fù)壓吸力的方式實現(xiàn)貫入。水下設(shè)施所在地區(qū)的海床表層往下約2.3 m范圍內(nèi)為黏土,表層的土壤抗剪強(qiáng)度為3 kPa,土壤容重為7.5 kN·m-3。淺基礎(chǔ)形式如圖1所示,長為3.3 m,寬為2.5 m,在長度方向布置了2道300 mm×300 mm的H型鋼,在寬度方向布置了3道300 mm×300 mm的H型鋼。淺基礎(chǔ)裙板的貫入計算可以參考樁的貫入計算,但由于淺基礎(chǔ)的深度較小,因而在計算時需要考慮克服其頂部平板承載力的影響。根據(jù)API RP 2GEO—2011《Geotechnical and Foundation Design Considerations》[10]中的規(guī)定,裙板的貫入阻力包括側(cè)向摩擦阻力和頂部阻力兩部分組成,計算見式(1):

圖1 水下結(jié)構(gòu)物重力基礎(chǔ)

Qc=Qf+Qp=fAs+qAp

(1)

式中:Qc——極限軸向抗壓承載力;

Qf——側(cè)向受壓摩擦阻力;

Qp——端部阻力。

側(cè)向摩擦阻力由單軸摩擦力f以及裙板的雙向面積As確定,端部承載力由端部阻力系數(shù)q和端部面積Ap確定。對于黏土,其單軸摩擦力約等于抗剪切強(qiáng)度;端部承載力系數(shù)按9倍的剪切強(qiáng)度考慮。

API RP 2GEO—2011中對于淺基礎(chǔ)的承載力計算公式,其中黏土的不排水承載力計算見式(2):

Qd=(suNcKc)A′

(2)

式中:Qd——最大豎向載荷;

su——基礎(chǔ)面處的不排水剪切強(qiáng)度;

Nc——無量綱常數(shù),5.14;

Kc——修正系數(shù),包括形狀修正系數(shù)、嵌入深度修正系數(shù)、載荷傾斜修正系數(shù)、基礎(chǔ)傾斜修正系數(shù)、海床傾斜系數(shù)等;

A′——水平面積。

經(jīng)過理論計算得到的型鋼貫入阻力、平板承載力以及總貫入阻力值見表1。由計算結(jié)果可知,該淺基礎(chǔ)貫入時的阻力主要來自于型鋼端部阻力和頂部平板阻力。為降低貫入時的阻力,可以減小H型鋼的端部面積并在頂板上開孔,可從一定程度上利于貫入[11]。

表1 重力基礎(chǔ)貫入計算值

帶有裙板的淺基礎(chǔ)受到純剪切狀態(tài)時,受到裙板以上土壤的作用導(dǎo)致其側(cè)向阻力增加,其抗側(cè)滑能力有所增加,包括主動和被動土壤阻力。該淺基礎(chǔ)的側(cè)向阻力包括平板側(cè)向抗滑移阻力以及型鋼土壤阻力,其中平板側(cè)向抗滑移阻力按照API RP 2GEO—2011中黏土的不排水水平抗滑移能力計算,見式(3):

Hd=suoA

(3)

式中:Hd——最大水平載荷;

suo——基礎(chǔ)面的土壤剪切強(qiáng)度;

A——平板的面積。

不排水狀態(tài)下的裙板極限水平剪切阻力計算見式(4):

ΔH=KrusuaveAh

(4)

式中:ΔH——極限水平阻力;

suave——海床表面至基礎(chǔ)面的平均土壤剪切強(qiáng)度;

Ah——基礎(chǔ)嵌入的垂直橫截面積;

Kru——不排水水平土壤反力系數(shù)。

Kru與裙板的粗糙度、基礎(chǔ)形狀、側(cè)面剪切、貫入深度以及由于安裝、破裂或沖刷造成的土壤和基礎(chǔ)之間的間隙等相關(guān)。當(dāng)環(huán)境和土壤狀況較好,主動和被動土壓力均發(fā)生作用,Kru取值為4;而當(dāng)由于安裝擾動造成的主動土壓力失效,但被動面無較大沖刷時,Kru取值為2。

分別采用不同的水平土壤反力系數(shù)計算得到的淺基礎(chǔ)側(cè)向穩(wěn)定性的上限和下限見表2。由表2可見,與不帶裙板的淺基礎(chǔ)相比,通過設(shè)置型鋼淺基礎(chǔ)的側(cè)向阻力值大幅度增加,上限值得到的側(cè)向阻力增大了近5倍,下限值得到的側(cè)向阻力增大近2.5倍,因而設(shè)置裙板可以大大提高黏土中淺基礎(chǔ)的側(cè)向穩(wěn)定性。

表2 重力基礎(chǔ)剪切性能計算值

2 有限元模型

淺基礎(chǔ)的理論計算中包括眾多假定,其中貫入計算采用樁的近似計算方法,也考慮了淺基礎(chǔ)頂板承載力的影響;側(cè)向穩(wěn)定性計算根據(jù)不同反力系數(shù)得到了兩組側(cè)向阻力結(jié)果。為驗證以上假定,根據(jù)有限元方法對該淺基礎(chǔ)的貫入特征和側(cè)向穩(wěn)定性進(jìn)行分析。采用通用有限元軟件建立計算模型,包括淺基礎(chǔ)和土壤,如圖2所示,土壤模型的長和寬各為10倍的對應(yīng)基礎(chǔ)邊長,總深度為10 m,其中初始下部土壤深度為8 m,上部空隙深度為2 m;貫入和側(cè)向穩(wěn)定性采用兩個模型,可通過調(diào)整土壤和防沉板之間的相對位置來實現(xiàn)。

圖2 有限元模型

采用耦合歐拉-拉格朗日方法(CEL)進(jìn)行顯式計算分析來模擬準(zhǔn)靜態(tài)過程,其中土壤采用歐拉材料,鋼板材料采用拉格朗日材料;鋼板和土壤之間的摩擦系數(shù)為0.5,土壤為實體單元,材料采用庫倫材料模型,滿足理想彈塑性條件,彈性模量為2.5 MPa,泊松比為0.49,粘聚力為3 MPa;鋼板為殼單元,在幾何中心參考點處建立剛體約束,輸出參考點的反力。邊界條件施加到土壤的側(cè)面和底面上,其速度設(shè)置為0,認(rèn)為無歐拉材料流入和流出。貫入分析時施加垂直向下的位移載荷為300 mm,計算時間取0.5 s;側(cè)向穩(wěn)定性分析時施加水平位移載荷為40 mm,計算時間取1 s。

3 計算結(jié)果及分析

經(jīng)過有限元計算貫入分析得到的位移-反力曲線如圖3和圖4所示。由圖3可見,計算在淺基礎(chǔ)貫入0.02 m后趨于穩(wěn)定,圖4是0.02 m以后的位移-反力曲線與理論值的比較。由圖4可見,在淺基礎(chǔ)貫入0.02～0.30 m的深度內(nèi),反力在100～270 kN之間變化,大部分位于理論計算值247 kN以內(nèi),因此,理論計算和有限元分析的結(jié)果基本符合,可按照上述的理論計算估計該淺基礎(chǔ)的貫入力,以安全系數(shù)為3.0考慮,則結(jié)構(gòu)壓載至少要達(dá)到750 kN。

圖3 貫入位移-反力曲線

圖4 貫入計算理論與分析結(jié)果比較

經(jīng)過有限元計算側(cè)向穩(wěn)定性分析得到的位移-反力曲線如圖5和圖6所示。由圖5可知,有限元計算在水平位移達(dá)到0.07 m后逐步增大直到穩(wěn)定,圖6是0.07 m后的位移-反力曲線與理論上限和下限值的比較。由圖6可見,淺基礎(chǔ)的極限水平阻力在60 kN左右,與理論上限值符合,由于在有限元模型計算中認(rèn)為土壤處于初始狀態(tài),未考慮貫入時的土壤擾動以及沖刷等環(huán)境條件,工程設(shè)計中的側(cè)向阻力應(yīng)在理論上限和下限值之間,以安全系數(shù)為2.0考慮,則結(jié)構(gòu)的最大抗側(cè)滑能力為17～30 kN。

圖5 側(cè)向位移-反力曲線

圖6 側(cè)向穩(wěn)定性計算理論與分析結(jié)果比較

4 結(jié)論

對于帶有型鋼作為裙板的水下設(shè)施淺基礎(chǔ),提出了采用理論公式和有限元模型進(jìn)行基礎(chǔ)計算和分析,驗證了水下設(shè)施淺基礎(chǔ)的貫入和側(cè)向穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求,得到結(jié)論如下:

4.1 水下設(shè)施淺基礎(chǔ)貫入計算需要同時考慮裙板的貫入阻力和頂部的平板阻力,貫入阻力可近似采用樁基礎(chǔ)的貫入公式計算,包括裙板的端部阻力和側(cè)向摩擦阻力,平板阻力可近似采用淺基礎(chǔ)的承載力公式計算。

4.2 通過設(shè)置裙板可以大幅度提高水下設(shè)施淺基礎(chǔ)的側(cè)向穩(wěn)定性,當(dāng)基礎(chǔ)下的土壤未受到擾動和環(huán)境條件的影響,主動和被動土壓力均起作用,可以得到側(cè)向阻力的上限值,否則應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件在上限值和下限值之間選取。

4.3 采用基于耦合歐拉-拉格朗日(CEL)的顯式有限元計算方法,可以得到準(zhǔn)靜態(tài)過程的水下設(shè)施淺基礎(chǔ)貫入和側(cè)向穩(wěn)定性結(jié)果。