黃紹梁， 杜 湧， 高建財(cái)

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

吸力式組合樁抗拔承載特性數(shù)值分析*

黃紹梁， 杜 湧， 高建財(cái)

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

吸力式組合樁的承載特性是海洋工程設(shè)計(jì)和施工中的一個(gè)關(guān)鍵問題， 通過采用有限元分析方法對(duì)吸力式組合樁的極限承載特性進(jìn)行計(jì)算， 考慮了長(zhǎng)徑比、 荷載作用角度和荷載作用點(diǎn)三個(gè)重要因素. 探討了荷載在不同長(zhǎng)徑比、 作用角度和作用點(diǎn)下吸力式組合樁的極限承載力， 根據(jù)承載力的變化規(guī)律得出最佳荷載作用點(diǎn)位置. 結(jié)果表明， 長(zhǎng)徑比越大， 吸力式組合樁的極限承載力越大； 荷載作用角度越小， 吸力式組合樁的極限承載力越大， 當(dāng)荷載作用角度為0°時(shí)， 吸力式組合樁的極限承載力最大； 當(dāng)荷載作用點(diǎn)從樁頂移動(dòng)到樁底時(shí)， 極限承載力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)， 且最佳荷載作用點(diǎn)位置隨著長(zhǎng)徑比的增長(zhǎng)會(huì)發(fā)生上移.

吸力式組合樁； 承載力； 有限元分析； 最佳荷載作用點(diǎn)

0 引 言

吸力式基礎(chǔ)作為一種經(jīng)濟(jì)有效的海洋結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)形式受到廣泛關(guān)注. 吸力式基礎(chǔ)， 又稱為吸力錨、 吸力樁、 負(fù)壓錨或桶形基礎(chǔ)， 它是一種大直徑的圓筒結(jié)構(gòu)， 通常底部敞開， 頂部封閉. 在安裝過程中， 首先樁通過自身的重量嵌入海底土壤使得筒內(nèi)形成初始封閉， 然后打開樁頂部的閥門， 將樁體內(nèi)部的氣體和水排出， 此時(shí)樁體內(nèi)部形成負(fù)壓， 在負(fù)壓的作用下， 樁體可不斷的被壓入泥中， 直到貫入設(shè)計(jì)的深度. 為了適應(yīng)不同的水深和土質(zhì)條件， 通常會(huì)將多個(gè)吸力式單樁組合使用， 以形成更加穩(wěn)固、 調(diào)節(jié)精度更高的吸力式組合樁結(jié)構(gòu). 相對(duì)吸力式單樁， 組合樁具有穩(wěn)定性高、 可調(diào)性高和適用性廣等優(yōu)點(diǎn). 與淺海平臺(tái)相比， 在深海中吸力式組合樁所受到的錨系荷載顯著增加， 主要承受上部結(jié)構(gòu)受風(fēng)浪荷載作用后傳遞下來的拉拔荷載. 因此， 研究吸力式組合樁的抗拔承載特性具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)用價(jià)值.

目前， 針對(duì)吸力式組合樁的研究比較少， 缺乏行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[1-5]. 劉振紋等[6]分析了雙桶基礎(chǔ)的地基水平承載力， 并給出了相應(yīng)的估算方法. 劉樹杰[7]通過對(duì)海上風(fēng)機(jī)多桶基礎(chǔ)的承載力分析， 探討了多桶基礎(chǔ)在豎向、 水平和力矩作用下的極限承載力， 給出了荷載的最有利和最不利的作用方向. 李馳[8]等對(duì)多桶基礎(chǔ)在豎向和水平荷載作用下的靜承載力進(jìn)行了研究， 提出對(duì)稱多桶組合基礎(chǔ)豎向和水平靜承載力的確定方法， 但李馳只給出了一種長(zhǎng)徑比下多樁的抗拔承載力， 同時(shí)忽略了作用點(diǎn)和作用角度的影響. 為了彌補(bǔ)荷載作用點(diǎn)和作用角度對(duì)吸力式組合樁的影響， 本文選取了3種不同長(zhǎng)徑比的吸力式組合樁， 采用大型有限元軟件ABAQUS進(jìn)行三維非線性有限元數(shù)值分析， 分別對(duì)均質(zhì)軟粘土地基中荷載在吸力式組合樁樁身不同作用點(diǎn)和作用角度作用下的極限承載力進(jìn)行了數(shù)值模擬. 通過數(shù)值分析吸力式組合樁在不同加載模式下的承載特性， 為今后的施工設(shè)計(jì)提供更為合理的建議.

1 有限元數(shù)值分析方法

考慮到吸力式組合樁結(jié)構(gòu)和荷載的對(duì)稱性， 采取吸力式組合樁與計(jì)算區(qū)域的一半簡(jiǎn)化有限元計(jì)算模型， 如圖 1 所示. 整個(gè)模型采用三維8節(jié)點(diǎn)減縮積分實(shí)體單元以減少計(jì)算量. 為了消除邊界效應(yīng)的影響， 土體的計(jì)算區(qū)域樁徑方向取10倍樁間距， 深度方向取5倍樁長(zhǎng)； 為了提高計(jì)算精度， 在樁周及樁內(nèi)部土體有限元?jiǎng)澐值酶苤拢?其他位置沿徑向增長(zhǎng). 樁體為線彈性材料， 彈性模量E=210 GPa， 泊松比v=0.3， 樁壁厚t=0.03 m， 樁的外徑D=2.5 m， 樁間距S=5 m， 樁體的長(zhǎng)徑比L/D=2, 4, 6. 土體為均質(zhì)軟粘土， 假定土體處于完全不排水狀態(tài)， 不排水強(qiáng)度Su=10 kPa， 采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型， 變形模量為E=500Su， 泊松比v=0.49， 內(nèi)摩擦角為φ=26°， 剪脹角ψ=0°， 黏聚力取c=12 kPa， 認(rèn)為土體是不可壓縮的. 樁土之間的相互作用采用庫倫摩擦對(duì)模擬， 吸力式組合樁與土體的法向接觸面采用硬接觸形式， 切向接觸面采用罰函數(shù)法來模擬樁土之間的摩擦效應(yīng)， 即樁壁的摩擦力與樁壁所受到的垂向壓應(yīng)力成正比. 有研究表明， 當(dāng)摩擦系數(shù)f超過臨界值0.4后， 摩擦系數(shù)對(duì)吸力樁承載力的影響很小[9]. 考慮到施工樁基礎(chǔ)貫入的難度， 本模型中設(shè)定樁土之間的摩擦系數(shù)為f=0.35.

圖 1 吸力式組合樁及有限元模型Fig.1 Triple clustered suction piles and finite element model

在有限元數(shù)值計(jì)算過程中， 有荷載控制方法和位移控制方法兩種加載方法， 用位移控制方法加載可以得到更精準(zhǔn)的荷載-位移曲線[10]. 當(dāng)荷載-位移的斜率為0時(shí)， 意味著在荷載不變的情況下位移在持續(xù)增長(zhǎng)， 即認(rèn)為基礎(chǔ)達(dá)到了極限平衡狀態(tài)[11]. 因此， 本文采用位移控制施加荷載的方法進(jìn)行加載.

2 吸力式組合樁承載力分析

下面選取了3種不同長(zhǎng)徑比的吸力式組合樁， 分別對(duì)不同荷載作用點(diǎn)和荷載作用角度下吸力式組合樁的極限承載能力進(jìn)行了對(duì)比分析.

2.1 長(zhǎng)徑比的影響

針對(duì)長(zhǎng)徑比L/D=2, 4, 6的吸力式組合樁， 圖2給出了水平荷載和豎直上拔荷載與位移之間的關(guān)系曲線. 從圖 2 中可以看出， 長(zhǎng)徑比對(duì)吸力式組合樁的極限承載力影響很大， 隨著長(zhǎng)徑比的增長(zhǎng)， 吸力式組合樁的水平極限承載力和豎向抗拔承載力都有顯著的增加. 從圖 2(a) 中可以發(fā)現(xiàn)， 在后期的加載過程中， 長(zhǎng)徑比L/D=2的吸力式組合樁水平荷載-位移曲線斜率率先接近為零， 說明此時(shí)樁的水平承載能力已得到最大發(fā)揮， 地基發(fā)生破壞. 因此吸力式組合樁的長(zhǎng)徑比越小， 吸力式組合樁的水平承載力越小. 圖 2(b) 中在豎直上拔的過程中， 吸力式組合樁的承載力主要是來源于樁土之間的摩擦力及樁和樁內(nèi)土的自重， 當(dāng)樁土之間的摩擦力達(dá)到極限值后， 樁身位移都會(huì)陡然發(fā)生增長(zhǎng)， 說明此時(shí)樁體被拔出土體. 隨著長(zhǎng)徑比的增長(zhǎng)， 吸力式組合樁基礎(chǔ)的豎向抗拔承載力也有所增長(zhǎng)， 說明長(zhǎng)徑比是影響吸力式組合樁承載力的一個(gè)重要因素.

圖 2 不同荷載作用方向的荷載-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of different loads

2.2 荷載作用角度的影響

圖 3 是荷載作用點(diǎn)位置不同時(shí)， 吸力式組合樁極限承載力與荷載作用角度的關(guān)系曲線.

圖 3 不同荷載作用角度的荷載-位移曲線Fig.3 Load-displacement curves of different loads

從圖 3 中可以發(fā)現(xiàn)， 在同一荷載作用條件下， 在水平荷載作用下的承載力總是最大， 隨著荷載作用角度的增大， 承載力一直在變小. 這說明在相同條件下， 吸力式組合樁的水平承載力比豎向抗拔承載力大. 這是由于在水平荷載作用下， 吸力式組合樁主要受樁側(cè)被動(dòng)土壓力的作用， 而在豎直上拔荷載作用下， 荷載主要來自于樁土之間的摩擦力及樁和樁內(nèi)土的自重. 因此， 荷載作用角度為0°是吸力式組合樁的最佳荷載作用角度. 但是在實(shí)際工程中， 深海海洋平臺(tái)工程中很難做到水平荷載[12]. 因此， 在深海海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)中， 應(yīng)該盡量使作用在吸力式組合樁上的荷載接近水平.

2.3 荷載作用點(diǎn)的影響

圖 4 為吸力式組合樁在不同荷載作用角度下荷載與作用點(diǎn)之間的關(guān)系曲線.

圖 4 不同荷載作用點(diǎn)的荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of different loads

從圖 4 中可以發(fā)現(xiàn)， 吸力式組合樁的承載力隨著荷載作用點(diǎn)位置的上升呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)， 而且長(zhǎng)徑比越大， 這種趨勢(shì)越明顯， 角度越小， 這種趨勢(shì)也越明顯. 在長(zhǎng)徑比L/D=2的吸力式組合樁中， 荷載作用點(diǎn)在z/L=0.3～0.55之間時(shí)， 吸力式組合樁的承載力最大； 在長(zhǎng)徑比L/D=4 的吸力式組合樁中， 荷載作用點(diǎn)在z/L=0.4～0.55之間時(shí)， 吸力式組合樁的承載力最大； 在長(zhǎng)徑比L/D=6的吸力式組合樁中， 荷載作用點(diǎn)在z/L=0.45～0.55之間時(shí)， 吸力式組合樁的承載力最大； 因此， 隨著長(zhǎng)徑比的增大， 吸力式組合樁的最佳荷載作用點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生上移. 當(dāng)荷載作用角度為0°和15°時(shí)， 吸力式組合樁的承載力幾乎沒有明顯的差異， 隨著荷載作用角度的增大， 極限承載力也隨之下降， 而且下降的速度也越來越大. 當(dāng)長(zhǎng)徑比相同時(shí)， 荷載作用角度越大， 曲線越平緩， 說明荷載作用點(diǎn)位置對(duì)承載力的影響在減小.

3 結(jié) 論

1) 長(zhǎng)徑比的增長(zhǎng)可以提高吸力式組合樁的水平承載力和豎向抗拔承載力. 吸力式組合樁在水平荷載和豎向上拔荷載作用下發(fā)生破壞時(shí)都是樁被拔出土體， 長(zhǎng)徑比越大， 樁體被拔出時(shí)產(chǎn)生的位移越大， 而水平位移也要比豎向位移大很多， 這些特征可以為吸力式組合樁基礎(chǔ)的破壞標(biāo)準(zhǔn)作參考.

2) 在同一個(gè)作用點(diǎn)處， 荷載作用角度越小， 吸力式組合樁的極限承載力越大. 因此， 在實(shí)際工程中， 應(yīng)該盡量將荷載作用方向接近于水平.

3) 隨著長(zhǎng)徑比的增長(zhǎng)， 最佳荷載作用點(diǎn)的位置會(huì)發(fā)生上移， 且最佳荷載作用點(diǎn)處的水平承載力最大. 當(dāng)長(zhǎng)徑比相同時(shí)， 隨著荷載作用角度的增大， 不同荷載作用角度下的最佳荷載作用點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生上移.

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Numerical Analysis of Ultimate Uplift Bearing Capacity of Triple Clustered Suction Piles

HUANG Shao-liang， DU Yong， GAO Jian-cai

(College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

The bearing capacity of triple clustered suction piles is a crucial problem in the design and construction of marine engineering. By using the finite element analysis method, the ultimate bearing capacity of triple clustered suction piles was calculated with the aspect ratios, the loading inclination angle and the load attachment point considered. Under different aspect ratios, action angle and action points, the ultimate bearing capacity of triple clustered suction piles were discussed. According to the change law of bearing capacity, the optimum load action point was obtained. The results show that the larger the ratio of length to diameter, the greater the ultimate bearing capacity of triple clustered suction piles. The smaller the load angle, the greater the ultimate load capacity of the triple clustered suction piles, when the load angle is 0 degree, the ultimate bearing capacity of triple clustered suction piles is the largest. When the load point moves from the top to the bottom, the ultimate bearing capacity offers upgrade firstly than descending latter tendency. And the optimal load acting point position can move up with the increase of the ratio of the length to diameter.

triple clustered suction piles； bearing capacity； finite element analysis； optimum load attachment point

1673-3193(2017)01-0055-05

2015-10-30

山西省百人計(jì)劃項(xiàng)目(800101-02030017)； 131人才專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(900198-02010018)

黃紹梁(1991-)， 男， 碩士生， 主要從事巖土工程方面的研究.

杜 湧(1956-)， 男， 教授， 博士， 主要從事海洋結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)工程方面的研究.

TU473.15

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.01.011