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瑕邓
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1 第 11 卷第 2 期 2016 年 4 月中国舰船研究 Chinese 中国 Journal 舰 of船 Ship研 Research 究 Vol.11 No.2 Apr. 第卷网络出版地址 : 期刊网址 : 引用格式 : 张兆德, 吕国兴, 张心. 桩靴支护结构对桩端极限承载力的影响 [J]. 中国舰船研究,2016,11(2): ZHANG Zhaode,LV Guoxing,ZHANG Xin. The effect of optimized structures on the spudcan bearing capacity[j]. Chinese Journal of Ship Research,2016,11(2): 桩靴支护结构对桩端极限承载力的影响 1,2 1,2 1,2 张兆德, 吕国兴, 张心 1 浙江海洋学院船舶与海洋工程学院, 浙江舟山浙江省近海海洋工程技术重点实验室, 浙江舟山摘要 : 以渤海湾胜利五号自升式作业平台桩基贯入工程实例为基础, 优化自升式平台桩靴支护结构位置, 采用有限元数值模拟位置优化后的桩端极限承载力, 并与实际桩端承载进行比较优化结果表明 : 沿桩靴径向和垂向优化发现桩端极限承载力由内向外是先增大后减小, 支护结构在 =0.6,=0.4 处优化达到预期效果 ; 合理优化桩靴支护结构的位置可以改变桩靴上端面土体流动方向, 减小土体对桩靴上端面冲量及桩靴上下端面土体流速差, 稳定贯桩过程, 能够增加桩端极限承载力关键词 : 自升式平台 ; 桩靴 ; 极限承载力 ; 支护 ; 数值模拟中图分类号 :U ;TU 文献标志码 :A DOI: /j.issn The effect of optimized structures on the spudcan bearing capacity ZHANG Zhaode 1,2,LV Guoxing 1,2,ZHANG Xin 1,2 1 School of Ship and Ocean Engineering,Zhejiang Ocean University,Zhoushan ,China 2 Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang,Zhoushan ,China Abstract:Based on the engineering practice about the pile-soil penetration interaction of Shengli No.5 Jack-up in Bohai Bay, a numerical model for the pile-soil penetration process is established to investigate the bearing capacity of an optimized spudcan structure which is then compared to that of the real spudcan. The results show that the spudcan bearing capacity first increases and then decreases from inside to outside along the radial and vertical optimized position. At the radial =0.6 position and vertical =0.4 posi tion, the optimized structure satisfies expectation. It is concluded that the supports in reasonable positions can increase the spudcan bearing capacity and maintain the stability of the penetration process by changing the flow mechanism of soil, which decreases the impulse and velocity deficit of the soil at the top and bot tom of the spudcan. Key words:jack-up platform;spudcan;bearing capacity;supports;numerical simulation 0 引言在近海石油勘探与开发过程中, 自升式平台是一种常用的移动平台结构形式此类海洋工程结构的共同特点是依靠桩腿和桩靴支持在海底基础上, 其入泥深度远小于桩靴尺度, 因此经常会发生地基不稳桩腿沉降不匀平台倾斜冲刷与淘空现象同时, 桩靴上部空腔破坏后坍塌的土体覆盖在桩靴上部会加大拔桩作业的困难对桩基 [1-5] 贯入问题, 国内外学者开展了大量研究, 但是对于自升式平台桩靴的优化设计涉及较少桩靴 [6] 结构形式影响贯桩过程中桩侧土体的回流机制, 收稿日期 : 网络出版时间 : :56 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( , ) 作者简介 : 张兆德, 男,1964 年生, 博士, 教授研究方向 : 海洋工程结构动力分析 zhangzhaode@163.com 吕国兴 ( 通信作者 ), 男,1992 年生, 硕士生研究方向 : 海洋工程结构动力分析 @qq.com

第 2 期张兆德等 : 桩靴支护结构对桩端极限承载力的影响 67 现有桩靴结构虽保证了平稳贯桩, 却忽略了桩侧土体回流机制对插拔作业的影响支护结构对基 [7] 础的影响吴贤国等采用有限元方法研究了支护结构对上部框架结构筏基地基的共同作用体系的作用, 研究认为支护结构可以分担建筑物的部分载荷, 影响地基承载力, 同时也增大了基 [8] 础内力杨光华对深基坑支护结构的受力和变

2 第 2 期张兆德等 : 桩靴支护结构对桩端极限承载力的影响 67 现有桩靴结构虽保证了平稳贯桩, 却忽略了桩侧土体回流机制对插拔作业的影响支护结构对基 [7] 础的影响吴贤国等采用有限元方法研究了支护结构对上部框架结构筏基地基的共同作用体系的作用, 研究认为支护结构可以分担建筑物的部分载荷, 影响地基承载力, 同时也增大了基 [8] 础内力杨光华对深基坑支护结构的受力和变形计算提出了一套系统的实用计算方法, 较好地解决了基坑支护结构设计计算的关键问题, 并已经在工程实践中成功应用与实际桩靴桩端承载比较发现, 由于桩靴支护结构的存在, 影响了贯桩过程中桩侧土体的回流形式沿径向和垂向分别选取优化位置并分析, 发现不同位置处桩靴支护结构对桩端极限承载影响不同 1 桩靴结构优化设计 1.1 有限元数值模型图 1 为平台桩靴模型及优化支护结构示意图 ( 单位 :m) 将地基网格分区并调节分析区域网格种子数疏密 : 靠近桩靴区域网格密, 远离桩端区域网格疏, 这在保证模型计算可靠的同时可节省模型计算时间, 划分方式如图 2 所示地基网格的计算区域为深度宽度 =30D 50D(D 为桩靴直径 ), 模型分析区域范围较之桩靴直径足够大, 以消除边界条件的影响贯桩过程中, 约束分析区域底部 2 个方向的位移和左右边界水平位移贯桩过程中, 桩土接触为面面动力接触 [9-10], 其中, 桩靴端面为接触主面, 土体端面为接触从面桩土贯入模型可简化为轴对称模型进行处理在以桩端极限承载力为研究重点的数值模拟过程中, 可将桩靴定义为刚性体模型中, 以贯入位移为加载条件, 桩靴的贯入深度 H=6 m 1.46 r' r h' 图 2 地基网格模型 Fig.2 The foundation mesh model 桩靴支护结构优化位置沿径向和垂向的分布如表 1 所示表中 :r' 为径向优化位移至桩轴中心线的水平距离 ;r 为桩靴半径 ;H 为桩靴贯入地基的深度, 取 H=6 m;h' 为垂向优化位置至桩靴上部的垂直距离表 1 桩靴优化位置 Tab.1 The optimized position on spud can 工程地质条件在以桩端极限承载力为研究重点的问题中, 应考虑桩靴上部空腔破坏, 土体回流对桩端承载的影响, 因此在结构强度设计中以桩靴上部完全被土体所覆盖为原则来探究桩端极限承载力由于土质材料的不同, 硬土空腔状态不易发生破坏, 不适宜探究桩端极限承载力问题在插桩深度范围内的地基土主要由粘土淤泥质粘土和粉土构成, 为准确模拟桩基贯入过程及桩靴上部空腔形态结构对桩端极限承载力的影响, 对土质参数进行软化处理, 将土质结构简化为粘土属性, 如表 2 所示表 2 土体参数 Tab.2 The soil parameters 有效重度 γ'/(kn m -3 ) 弹性模量 E/ MPa 泊松比 ν 0.49 图 1 桩靴模型 Fig.1 The spudcan model 摩擦角 φ/( ) 粘聚力 c/ kn

3 2 桩端承载力工程应用与研究对优化位置分别进行数值模拟计算分析, 发现桩靴支护结构的存在改变了桩土贯入过程局部性能, 但是沿垂向径向不同位置, 贯桩阻力随贯入深度的变化趋势一致, 桩端承载存在局部波动即对桩靴结构的优化并没有改变桩端承载的趋势, 符合结构优化的目的图 3 所示为沿桩靴垂向优化位置贯入深度与桩端承载力示意图, 图 4 所示为沿桩靴径向优化位置贯入深度与桩端承载力示意图 RF/N RF/N Fig 图 3 垂向优化桩贯入阻力 The spudcan penetration resistance on vertical optimized position Fig.4 原始桩 h'/h=0.25 h'/h=0.30 h'/h=0.35 h'/h=0.40 h'/h=0.45 h'/h=0.50 原始桩 =0.5 =0.6 =0.7 = 图 4 径向优化桩贯入阻力 The spudcan penetration resistance on radial optimized position 2.1 桩靴结构沿径向优化设计采用有限元数值模拟支护结构对桩端极限承载力的影响, 并与实际桩端承载进行比较胜利五号自升式平台桩靴桩端承载实际载重 RF= N, 如图 5 中虚线所示由图 5 可知, 同一径向位置, 桩靴支护结构沿不同垂向位置优化对桩端承载影响不同其中, 在径向位置 =0.6 处, 桩端极限承载力优化效果最好 ; 在 = 0.5,=0.4 和 =0.7,=0.4 处, 桩端极限承载力均超过了实桩桩端极限承载力 ; 在中国舰船研究第 11 卷图 5 径向位置 =0.5,0.6,0.7,0.8 处桩端极限承载力变化 Fig.5 The spudcan bearing capacity at radial optimized position = 0.5,0.6,0.7,0.8 =0.8 处, 桩端极限承载力小于实桩桩端极限承载力 (a)= (b)= (c)=0.7 (d)=0.8 可知, 沿径向桩端支护优化由内向外的桩端极限承载力是先增大后减小在 =0.6 处, =

4 第 2 期 0.3,0.35,0.4 处优化达到预期效果 2.2 桩靴结构沿垂向优化设计由图 6 可知, 同一垂向位置, 桩靴支护结构沿不同径向位置优化对桩端承载力的影响不同其中, 在垂向位置 =0.40,=0.6,0.7 处, 桩端极限承载力优化效果最好 ; 随着垂向深度的增加, 桩端极限承载力是先增大后减小 10.2 (a)= (b)=0.30 (c)=0.35 (d)= 0.40 张兆德等 : 桩靴支护结构对桩端极限承载力的影响 69 图 6 Fig.6 随着垂向优化位置变大, 桩靴上部空腔体积先增大后减小, 桩端极限承载力也是先增大后减小, 其中在 =0.40,=0.6,0.7 处优化效果达到预期 3 土体流动机理变化 3.1 支护结构对桩侧土体流动的影响贯桩过程中, 桩侧土体流动形式及桩靴上部空腔形态的变化对桩端承载力的影响很大桩靴优化前后, 桩靴上部从空腔形态开始破坏 ( 图 7(a) 图 7(b)) 至空腔破坏稳定状态 ( 图 7(c) 图 7(d)) 时桩靴上下端面土体流动速度矢量图如图 7 所示 (e) =0.45 (f)=0.50 垂向位置 =0.25,0.30,0.35,0.40,0.45,0.50 处桩端极限承载力的变化 The spudcan bearing capacity at vertical optimized position =0.25,0.30,0.35,0.40,0.45, e e-02 (a) 原始桩临界深度阶段

70 中国舰船研究第 11 卷 Fig.7 +2.104e-02 +1.052e-02 +2.579e-02 +1.290e-02 +1.

改变了桩侧土体的流动机制, 支护结构的存在导致空腔的破坏提前发生, 并且桩侧土体的回旋速度也较未优化桩靴小, 土体在空腔垂直剪切面破坏速度小在桩土贯入过程中, 桩侧土体回流导致空腔垂直剪切面发生剪切破坏 [11] 由空腔垂直剪切面破坏, 导致该垂直面上的土体对桩靴上部端面有一定的速度冲击同时, 桩端下部土体受压被挤入桩侧致桩靴下形成瞬态吸力 [12], 导致在桩靴上

速度仍有较大速差存在由桩靴上下端面土体流动速度矢量图可知, 支护结构的存在在一定程度上改变了桩侧土体的流动形式, 缓和了桩侧土体的回旋运动, 使得贯桩过程更加稳定 3.

5 70 中国舰船研究第 11 卷 Fig e e e e e e-03 (b) 优化桩临界深度阶段 (c) 原始桩贯桩稳定阶段 (d) 优化桩贯桩稳定阶段图 7 桩靴上下端面土体流动速度矢量分布 The soil flow velocity vector distribution on the spudcan 贯桩初始阶段至空腔开始破坏, 桩靴下土体被挤入桩侧, 在桩侧, 土体有相当大的回旋速度由于支护结构的存在, 改变了桩侧土体的流动机制, 支护结构的存在导致空腔的破坏提前发生, 并且桩侧土体的回旋速度也较未优化桩靴小, 土体在空腔垂直剪切面破坏速度小在桩土贯入过程中, 桩侧土体回流导致空腔垂直剪切面发生剪切破坏 [11] 由空腔垂直剪切面破坏, 导致该垂直面上的土体对桩靴上部端面有一定的速度冲击同时, 桩端下部土体受压被挤入桩侧致桩靴下形成瞬态吸力 [12], 导致在桩靴上下端面形成速度逆差, 由于该速度逆差的存在, 导致贯桩过程中桩端承载呈现波动若该速度逆差变大, 易导致桩靴上部空腔坍塌破坏, 不利于贯桩稳定性至贯桩达到稳定状态, 桩靴上部完全被土体覆盖, 空腔破坏形态稳定, 支护结构的存在使桩侧土体仅存在局部的土体回旋运动, 土体表面运动稳定对于未优化桩靴, 其上端面存在垂直冲击速度, 同时桩靴下土体的分离速度比较激烈, 贯桩速度仍有较大速差存在由桩靴上下端面土体流动速度矢量图可知, 支护结构的存在在一定程度上改变了桩侧土体的流动形式, 缓和了桩侧土体的回旋运动, 使得贯桩过程更加稳定 3.2 桩靴上下端面土体流速差桩土贯入过程中, 原始桩靴与优化桩靴上下端面的土体流动速度分布如图 8 所示贯桩初始阶段, 桩靴上下端面土体流动速度及速度差较小至空腔开始破坏时刻, 贯桩深度达到临界深度 h=1.73 m 后, 桩靴下土体被挤入桩侧, 土体在桩侧开始回流运动桩靴上部空腔在回流土体的冲击作用下, 沿空腔垂直剪切面发生剪切破坏, 桩靴上部土体回流速度变大 ; 贯桩稳定后, 桩靴上下端面土体流动稳定土体流动速度 /(m s -1 ) 相对速度原始桩上端优化桩上端原始桩下端优化桩下端 (a) 桩靴上下端面速度分布原始桩优化桩 (b) 桩靴上下端面相对速度分布图 8 桩靴上下端面土体流动速度分布及相对速度 Fig.8 The soil flow velocity distribution and the relative velocity at up and down the spudcan

6 第 2 期张兆德等 : 桩靴支护结构对桩端极限承载力的影响 71 桩靴支护结构离桩轴中心线径向位置越远, 桩靴上部空腔的破坏提前, 桩侧土体回旋运动越缓和空腔破坏后土体回流冲击桩靴上端面的垂向速度分量变小, 桩靴上下端面速度逆差减小桩靴支护结构离桩靴端面水平线垂向位置越远, 空腔稳定破坏前桩侧土体回流至支护结构后其速度垂向分量越小, 但土体对桩轴的水平冲击速度较大综上所述, 合理的桩靴支护结构位置能够增大贯桩过程中桩端极限承载力, 在径向优化位置 =0.6, 垂向优化位置 =0.40 处, 桩靴支护结构的优化对桩端极限承载力贡献最大 4 结论通过有限元数值模拟分析桩靴支护结构位置对桩侧及空腔壁面土体流动特性和桩端极限承载力的影响, 并同实际工程中桩端承载力进行比较分析, 得到以下结论 : 1) 桩靴支护结构影响地基承载能力桩靴支护结构沿径向位置优化, 距桩轴中心线由内向外, 桩端极限承载力是先增大后减小 ; 桩靴支护结构沿垂向位置优化, 距桩靴上端面由近及远, 桩端极限承载力是先增大后减小 2) 桩靴支护结构的存在改变了桩靴上端面土体流动机理离桩轴中心径向位置越远, 桩靴上部空腔破坏越早 ; 离桩靴上端面垂向位置越远, 桩靴上部土体的垂向分量越小支护结构的存在缓和了桩侧土体的回旋速度, 同时空腔壁面破坏后, 土体冲击桩靴上端面的速度变小, 桩靴上下端面土体流速差变小, 更有利于稳定的插桩作业参考文献 : [1] 赵春风, 蒋东海, 崔海勇. 单桩极限承载力的静力触探估算法研究 [J]. 岩土力学,2003,24( 增刊 2): ZHAO Chunfeng,JIANG Donghai,CUI Haiyong. Re search on pile ultimate capacity calculation based on static one penetration test[j]. Rock and Soil Mechan ics,2003,24(supp 2): [2] HOSSAIN M S,RANDOLPH M F. Deep-penetrating spudcan foundations on layered clays:numerical analy sis[j]. Géotechnique,2010,60(3): [3] 邓建刚, 傅旭东, 罗云华. 单桩极限承载力的预测 [J]. 勘察科学技术,2003(2):9-12. DENG Jiangang,FU Xudong,LUO Yunhua. Predic tion of ultimate bearing capacity of single pile[j]. Site Investigation Science and Technology,2003(2):9-12. [4] 张亚旭, 王修信, 庄海洋. 接触对桩土结构动力相互作用体系的影响 [J]. 地震工程与工程振动, 2009,29(6): ZHANG Yaxu,WANG Xiuxin,ZHUANG Haiyang. Effect of contact behavior on responses of pile-soil-structure dynamic interaction systems[j]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vi bration,2009,29(6): [5] LIU W K,BELYTSCHKO T,CHANG H. An arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element method for path-de pendent materials[j]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,1986,58(2): [6] YI J T,LEE F H,GOH S H,et al. Eulerian finite ele ment analysis of excess pore pressure generated by spudcan installation into soft clay[j]. Computers and Geotechnics,2012,42: [7] 吴贤国, 蔡英群. 支护结构与上部结构共同作用的分析研究 [J]. 华中科技大学学报 ( 城市科学版 ), 2003,20(3): WU Xianguo,CAI Yingqun. Analysis of supporting pile structure interaction[j]. Journal of Huazhong Uni versity of Science and Technology(Urban Science Edi tion),2003,20(3): [8] 杨光华. 深基坑支护结构的实用计算方法及其应用 [J]. 岩土力学,2004,25(12): YANG Guanghua. Practical calculation method of re taining structures for deep excavations and its applica tion[j]. Rock and Soil Mechanics,2004,25(12): [9] 刘书, 刘晶波, 方鄂华. 动接触问题及其数值模拟的研究进展 [J]. 工程力学,1999,16(6): LIU Shu,LIU Jingbo,FANG Ehua. The advances of studies on the dynamic contact problem and its numeri cal methods[j]. Engineering Mechanics,1999,16 (6): [10] 王满生, 周锡元, 胡聿贤. 桩土动力分析中接触模型的研究 [J]. 岩土工程学报,2005,27(6): WANG Mansheng,ZHOU Xiyuan,HU Yuxian. Stud ies on contact model of soil-pile dynamic interaction [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005,27(6): [11] HOSSAIN M S,RANDOLPH M F,HU Y,et al. Cav ity stability and bearing capacity of spudcan founda tions on clay[c]//proceedings of the Offshore Tech nology Conference(OTC'06),2006. [12] 张建, 唐文献, 苏世杰, 等. 硬土软土插桩过程数值分析及验证 [J]. 石油勘探与开发,2013,40 (4): ZHANG Jian,TANG Wenxian,SU Shijie,et al. Nu merical analysis and verification of pile penetration in to stiff-over-soft clay[j]. Petroleum Exploration and Development,2013,40(4):

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Microsoft Word 张兆德.doc NAVAL ARCHITECTURE AND OCEAN ENGINEERING 船舶与海洋工程 2015 年第 31 卷第 3 期 ( 总第 103 期 ) DOI:10.14056/j.cnki.naoe.2015.03.004 土体流动对自升式平台桩靴极限承载力的影响张兆德, 张心 ( 浙江海洋学院船舶与海洋工程学院浙江省近海海洋工程技术重点实验室, 舟山 316022) 摘要 : 现有自升式平台强度设计中地基承载力采用静态设计法,