砂土地基多桶組合結(jié)構(gòu)豎向承載力研究

金書成， 張永濤， 仇正中

(中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心， 湖北 武漢 430040)

桶形基礎(chǔ)由一個或多個上端封閉下端開口的桶組成，其隨著海洋石油工業(yè)邊際油田發(fā)展而成為一種新型海洋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。其通過排出桶內(nèi)氣體沉入水中，依靠自重入泥形成密閉空間，然后抽出桶內(nèi)水體，在上部氣壓和水壓的共同作用下沉貫至設(shè)計深度。桶形基礎(chǔ)與傳統(tǒng)基礎(chǔ)形式相比，具有成本低、安裝時間短、安裝費用低且可重復(fù)利用等特點，此外，由于勘探費用的降低使其更加適用于深海環(huán)境。目前，桶形基礎(chǔ)在海上油氣田和海上風(fēng)電場均有應(yīng)用。

在歐洲北海水深約 70 m 的海域，挪威國家石油公司的兩座大型導(dǎo)管架平臺 Europipe16/11-E 和 Sleipner Vest SLT 分別于1994 年和1995 年相繼建成投產(chǎn)。近幾年來，在歐洲的北海、美洲的墨西哥灣、非洲的幾內(nèi)亞灣、巴西近海等海域均有大量的吸力式基礎(chǔ)海洋結(jié)構(gòu)建成，2002年10月，丹麥在腓特烈港安裝了吸力式桶形基礎(chǔ)的3.0兆瓦海上風(fēng)機；2009年03月，又成功為Horns Rev2風(fēng)電場的一個海上測風(fēng)塔安裝了吸力式桶形基礎(chǔ)[1～3]。近年又出現(xiàn)了負(fù)壓三腳架桶形基礎(chǔ)、SIS-IV自安裝平臺、桶形基礎(chǔ)防波堤等多桶組合結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。在桶形基礎(chǔ)理論研究方面，各國相繼進行了一系列室內(nèi)與現(xiàn)場試驗，對桶形基礎(chǔ)的下沉阻力、承載力與變形特性、動載作用下基礎(chǔ)響應(yīng)等都進行了較為深入的研究，提出了一些設(shè)計計算方法，但迄今尚未形成設(shè)計規(guī)范；近年來我國的科研人員也針對軟粘土地基中吸力式桶基礎(chǔ)承載特性和破壞模式進行了大量研究，取得了一系列的成果[4～6]，但現(xiàn)有的研究多是針對單桶結(jié)構(gòu)，目前對于多桶結(jié)構(gòu)破壞模式和承載力特性都還不明確，也缺乏相關(guān)理論分析和試驗研究[1,7]。為此，本文針對豎向荷載單調(diào)作用下的多桶結(jié)構(gòu)承載性能進行了數(shù)值模擬，分析了豎向荷載作用下多桶結(jié)構(gòu)的破壞形式，并研究了土類、桶體長徑比L/D、桶距桶徑比S/D、桶數(shù)n等參數(shù)對多桶結(jié)構(gòu)承載力影響。

圖1 多桶結(jié)構(gòu)物

1 計算模型及參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型

對于桶形基礎(chǔ)來講，一般是由于桶體周圍的土體破壞而使結(jié)構(gòu)失效，此時，桶體仍處于彈性變形階段，因此，本文的有限元分析中桶體采用線彈性本構(gòu)模型[5,6]。由于桶形平臺自身及上部設(shè)備的重量很大，桶形基礎(chǔ)受到較大的豎向載荷，文獻[8, 9]指出桶形基礎(chǔ)在承擔(dān)豎向載荷時，桶蓋將發(fā)揮重要的作用。因此考慮到桶形基礎(chǔ)桶蓋大多采取了加強措施，本文假定桶蓋剛性，只研究桶體結(jié)構(gòu)與地基之間的相互作用，不考慮桶體上部鋼桁架的變形，假定桶體之間剛性連接。

分析采用ABAQUS摩擦接觸模擬桶壁與桶內(nèi)外土體之間的接觸。地基土的計算范圍水平方向上取為桶徑的10倍，豎向取10倍桶高，根據(jù)相關(guān)研究這樣的區(qū)域范圍基本上可以消除邊界效應(yīng)對于計算結(jié)果的影響[5,6]。

土體采用修正的 Drucker-Prager 模型，因海洋地基土長期處于飽和狀態(tài)，采用不排水總應(yīng)力分析方法。除土體頂部為自由外，其他土面均采用法向固定約束。土體分別取粗砂和細(xì)砂為例，土體單元的主要計算參數(shù)如表1所示：

表1 土體單元的主要計算參數(shù)

注：Es為平均變形模量；u為泊松比；c、φ分別為粘聚力、內(nèi)摩擦角；Rf為破壞比。

桶體為鋼結(jié)構(gòu)，彈性模量E為210 GPa，泊松比取0.3，用實體單元劃分土體和桶體。單桶的有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元分析模型

分析豎向荷載作用下多桶結(jié)構(gòu)的極限承載力，采用位移控制分析法，即在桶間鋼架中心處逐步施加位移，并由此得到基礎(chǔ)沉降曲線，以確定結(jié)構(gòu)的極限承載能力。

1.2 計算方案

為了分析土類、桶體長徑比L/D、桶距桶徑比S/D、桶數(shù)n等對多桶結(jié)構(gòu)承載力的影響，本文采用三種計算方案對多桶結(jié)構(gòu)進行數(shù)值分析，如表2所示，分析中桶徑D均取為4 m。分別得到各計算方案的P-S曲線及豎向靜承載力調(diào)整系數(shù)ηv的變化情況。

表2 計算方案

2 有限元分析

2.1 豎向荷載作用下多桶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承載力與破壞形式

本節(jié)建立單桶結(jié)構(gòu)有限元分析模型，分析豎向荷載作用下桶形結(jié)構(gòu)地基破壞機制，計算模型：土類為粗砂、桶徑4 m、長徑比L/D為1.5、壁厚20 mm鋼桶。采用相對剪應(yīng)力來研究桶形結(jié)構(gòu)地基破壞的模式[10]。

圖3 沉降變形云圖

圖4 相對剪應(yīng)力云圖

圖3為單桶沉降變形云圖，可見桶形基礎(chǔ)底部形成勺形破壞區(qū),主要沉降量發(fā)生在各個桶體的內(nèi)部，其次是桶體的底部。從圖4可見，基礎(chǔ)下部形成塑性區(qū)，并沿桶壁向上延伸。

采用相同的計算模型來分析雙桶破壞機理，桶距與桶徑比S/D取為1。得到雙桶沉降變形圖和有效剪應(yīng)力云圖，如圖5與圖6所示。由于本文分析的均為等間距對稱分布的多桶結(jié)構(gòu)，其相鄰?fù)绑w的沉降及應(yīng)變云圖與雙桶結(jié)構(gòu)是相近的，可視雙桶結(jié)構(gòu)為多桶結(jié)構(gòu)的一個承載單元，故僅取雙桶結(jié)構(gòu)沉降與應(yīng)力來示意。

圖5 雙桶沉降變形

圖6 雙桶有效剪應(yīng)力云圖

從圖5可見，雙桶基礎(chǔ)在豎向荷載作用下地基的破壞呈對稱分布?；捌茐男问脚c單桶相同，底部形成了連貫的勺形破壞區(qū)，并且相鄰?fù)绑w間的勺形破壞區(qū)域相連，這表明桶間存在相互作用。從圖6可見，相比于單桶結(jié)構(gòu)雙桶基礎(chǔ)桶體與地基接觸區(qū)域產(chǎn)生了更大的剪切破壞，桶體兩側(cè)與地基土接觸區(qū)域破壞更大。分析上述模型，分別得到粗砂和細(xì)砂時單桶及雙桶的沉降曲線，如圖7所示。

圖7 單桶和雙桶沉降曲線

從沉降曲線可以看出，在整體沉降過程中曲線的彈性階段很短，隨后即出現(xiàn)了局部剪損。沉降曲線屬緩變型曲線，類似于重力式淺基礎(chǔ)的局部剪切破壞形式。并且曲線不存在明顯的第二拐點，這表明結(jié)構(gòu)具有較大的承載力增長空間。本分析根據(jù)沉降量來確定地基的極限承載力，參照相關(guān)文獻[4～6]取沉降量達到 0.07D時所對應(yīng)的荷載作為基礎(chǔ)的豎向極限承載力，計算結(jié)果如表3所示。

表3 基桶承載力計算結(jié)果 kN

從上述分析可見，由于桶間存在的相互影響，多桶結(jié)構(gòu)豎向承載力并不等于基桶承載力之和。為此，本文引入豎向靜承載力調(diào)整系數(shù)ηv來評價群桶效應(yīng)對多桶結(jié)構(gòu)豎向承載性能的影響。ηv指多桶結(jié)構(gòu)中基桶平均豎向極限承載力與對應(yīng)的單桶豎向極限承載力之比。

(1)

根據(jù)多桶結(jié)構(gòu)的受力特點，影響豎向靜承載力調(diào)整系數(shù)ηv的參數(shù)包括土類、桶體長徑比L/D、桶距桶徑比S/D、桶數(shù)n等，本文采用單因素分析方法對影響參數(shù)進行逐一分析。

2.2 長徑比L/D的影響

根據(jù)方案1，分別得到粗砂和細(xì)砂下四桶結(jié)構(gòu)不同長徑比的沉降曲線，如圖8和圖9所示?？梢婋S著L/D增加，四桶結(jié)構(gòu)極限承載力增大，這是因為L/D越大使得桶體側(cè)摩阻力越大，基桶極限承載力增大。得到ηv與L/D關(guān)系曲線，如圖10所示，可知隨著L/D增加相應(yīng)ηv減小。這是因為隨著長徑比增加相鄰?fù)绑w間的相連區(qū)域增大，桶體間相互作用增強。此外，相同條件下細(xì)砂地基的多桶結(jié)構(gòu)ηv值略大。

圖8 粗砂情況不同L/D沉降曲線

圖9 細(xì)砂情況不同L/D沉降曲線

圖10 ηv與L/D關(guān)系曲線

2.3 桶距桶徑比S/D的影響

根據(jù)方案2得到土體為粗砂和細(xì)砂時不同桶距桶徑比的四桶結(jié)構(gòu)沉降曲線，如圖11和圖12所示?？梢婋S著S/D的增加，多桶結(jié)構(gòu)極限承載力增大。這是由于桶距增加，桶體間的相互作用減小。另外從圖13可見，隨著S/D增加ηv也相應(yīng)增大，且同條件下粗砂基礎(chǔ)的ηv略大于細(xì)砂。

圖11 粗砂情況不同S/D沉降曲線

圖12 細(xì)砂情況不同S/D沉降曲線

圖13 ηv與S/D關(guān)系曲線

2.4 桶數(shù)n的影響

圖14、圖15所示分別為根據(jù)計算方案3，細(xì)砂和粗砂土質(zhì)下桶數(shù)為1、2、4、9時基桶的沉降曲線，可見不同桶數(shù)下基桶沉降曲線仍呈緩變型，且隨著桶數(shù)增加基桶平均極限承載力減小。由圖16可見隨著桶數(shù)增加豎向靜承載力調(diào)整系數(shù)ηv減小，這說明桶體間相互作用增強了。

圖14 粗砂情況不同桶數(shù)n沉降曲線

圖15 細(xì)砂情況不同桶數(shù)n沉降曲線

圖16 ηv與n關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

根據(jù)多桶組合結(jié)構(gòu)特點,利用ABAQUS對多桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行數(shù)值分析,采用位移控制法探討了豎向荷載單向作用下的多桶基礎(chǔ)承載力特性,計算與分析表明：

(1)多桶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)破壞形式與單桶相似，即在桶底形成勺形破壞區(qū)，并且相鄰?fù)绑w間的勺形破壞區(qū)域相連。多桶結(jié)構(gòu)豎向承載力并不等于單桶承載力之和，桶體間存在著不可忽略的相互作用。

(2)隨著長徑比L/D增加，多桶結(jié)構(gòu)豎向極限承載力增大，且豎向靜承載力調(diào)整系數(shù)ηv相應(yīng)減小。

(3)多桶結(jié)構(gòu)極限承載力隨著桶距桶徑比S/D的增加而增大，ηv也相應(yīng)增大，且相同條件下粗砂ηv略大于細(xì)砂。

(4)隨著桶數(shù)n增加，多桶結(jié)構(gòu)基桶平均豎向極限承載力減小，且豎向靜承載力調(diào)整系數(shù)ηv隨著桶數(shù)增加而減小。

以上結(jié)果表明，多桶結(jié)構(gòu)間存在著相互作用，多桶結(jié)構(gòu)豎向承載力受到桶基形式和布置影響，同時也與土類相關(guān)，群桶效應(yīng)應(yīng)該在設(shè)計中予以考慮。本文得到的以上結(jié)論僅局限于有限元分析，相關(guān)結(jié)論還有待驗證。

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