基于CEL和ALE方法的自升式平臺樁基貫入過程瞬態(tài)研究

張兆德，張心，李俊來

(1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316004;2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316022)

基于CEL和ALE方法的自升式平臺樁基貫入過程瞬態(tài)研究

張兆德，張心，李俊來

(1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316004;2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316022)

為研究樁基過程中樁端極限承載力、樁靴上部空腔的形成、發(fā)展和破壞機(jī)理，樁土貫入過程中樁端土體流動(dòng)及土體應(yīng)力分布變化，采用兩種方法來處理地基土體高度扭曲的網(wǎng)格，并與相關(guān)地土工離心模型試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明:ALE方法較CEL方法可更好地保證地應(yīng)力穩(wěn)定性;樁土貫入過程中樁端土體回流優(yōu)于空腔垂直壁面剪切破壞是空腔破壞的主要原因，ALE數(shù)值結(jié)果與離心試驗(yàn)結(jié)果一致;ALE方法保證材料-邊界-網(wǎng)格的一致性運(yùn)動(dòng)，模擬樁端極限承載力較CEL更加真實(shí)、可靠。ALE方法對于樁基貫入過程中的瞬態(tài)研究結(jié)果優(yōu)于CEL方法。

CEL;ALE;土體回流;極限承載力;空腔

在近海石油勘探與開發(fā)過程中，自升式平臺是一種常用的移動(dòng)平臺結(jié)構(gòu)形式。此類海洋工程結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是依靠樁靴和樁腿支持在海底基礎(chǔ)上。由于入泥深度較淺，所以機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。但是經(jīng)常會發(fā)生地基不穩(wěn)、樁腿沉降不均、沖刷與淘空等不利現(xiàn)象，進(jìn)而影響到海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全。因此有必要對樁貫入地基［1］的過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值分析與試驗(yàn)?zāi)M。國內(nèi)外學(xué)者對自升式平臺樁靴與地基的相互作用以及載荷與位移間的力學(xué)特性等工程熱點(diǎn)問題進(jìn)行了大量的研究［2-7］。本文在此基礎(chǔ)上利用Abaqus軟件針對自升式海洋平臺樁貫入地基的瞬態(tài)過程采用ALE和CEL方法進(jìn)行數(shù)值模擬，并與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以探討ALE和CEL方法在處理巖土貫入問題上的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 理論

ALE算法中，基于任意參考構(gòu)型坐標(biāo)的隨體導(dǎo)數(shù)方程見式(1)。

式中:Xi——拉格朗日參考坐標(biāo);

xi——?dú)W拉參考坐標(biāo);

wi——相對速度，w=ν－u。

其中:ν——質(zhì)點(diǎn)的物質(zhì)速度;

u——質(zhì)點(diǎn)的網(wǎng)格速度。

ALE方法中的控制方程。

1)質(zhì)量守恒方程。

2)動(dòng)量守恒方程。

式中:σij——應(yīng)力張量，σ=－p+τ;

τ——本構(gòu)模型的切應(yīng)力;

p——由實(shí)驗(yàn)測得的體積壓力-應(yīng)變曲線。

3)能量守恒方程。

CEL算法中歐拉網(wǎng)格與材料完全脫離.CEL里面控制變形體和剛性體運(yùn)動(dòng)的基本方程連續(xù)方程:

運(yùn)動(dòng)方程:

能量方程:

2 有限元數(shù)值模擬

2．1 ALE方法模擬樁的貫入地基過程

圖1為地基網(wǎng)格模型，ALE技術(shù)的計(jì)算效率對初始網(wǎng)格有一定的依懶性。對地基進(jìn)行分區(qū)處理，分區(qū)寬度≥6～10倍樁徑，以消除邊界條件的影響。圖2為樁土貫入模型中空腔模型以及Hossain離心實(shí)驗(yàn)樁的主要尺寸。樁土貫入前應(yīng)首先考慮地基地應(yīng)力的影響，并將地應(yīng)力場作為Explicit，Dynamic分析步下的初始狀態(tài)，以保證貫入前地基在重力場作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，消除貫入前地基的初始擾動(dòng)影響。樁的貫入以位移為加載條件。表1給出了Hossain離心實(shí)驗(yàn)及土體模型的主要參數(shù)。

圖1 地基網(wǎng)格模型

表1和圖2中:D為樁靴直徑;d為泥面至樁靴最大直徑處距離;H為空腔壁面深度;K為土體不排水剪切強(qiáng)度隨深度貫入的增速比;Z為貫入深度。

表1 Hossain離心實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

2．2 空腔形成、發(fā)展及破壞機(jī)理

空腔形成及土體表面失數(shù)發(fā)展過程見圖3。

2．3 樁土貫入過程中樁端土體流動(dòng)及土體應(yīng)力分布變化

圖2 離心實(shí)驗(yàn)樁模型尺寸(mm)

圖3 空腔形成及土體表面失效發(fā)展過程

圖4～6集中體現(xiàn)了空腔的形成、發(fā)展及表面失效過程。其中a)為Hossain土工離心試驗(yàn)?zāi)M樁土貫入過程中，b)為ALE數(shù)值模擬樁土貫入過程中樁端土體流動(dòng)及土體應(yīng)力分布變化。在樁貫入的初始階段(圖4 b))，樁靴底部土體向下運(yùn)動(dòng)，空腔在樁上部形成，土體表面拱起［8］。樁進(jìn)一步貫入(圖5 b))，樁側(cè)土體有相當(dāng)大的旋轉(zhuǎn)速度，土體逐漸回流至樁端上部，樁側(cè)土開始回流，樁貫入深度達(dá)到臨界深度［9］導(dǎo)致空腔破壞。樁深度貫入(圖6 b))，樁靴底部土體向下運(yùn)動(dòng)，樁靴側(cè)端土體回流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，土體回流機(jī)制同時(shí)延伸至土體表面。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:樁在貫入地基過程中，樁靴底部土體的回流優(yōu)于空腔壁不穩(wěn)定是空腔形成及其深度發(fā)展的主要原因。數(shù)值模擬效果與Hossain離心實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖4 d/D=0．2樁土相互作用結(jié)果

圖5 d/D=0．53樁土相互作用結(jié)果

圖6 d/D=1．40樁土相互作用結(jié)果

2．4 CEL算法模擬樁的貫入地基過程

CEL方法只能用于三維模型。地基網(wǎng)格見圖7。貫入前應(yīng)考慮地應(yīng)力［10-11］影響。在Explicit、dynamic分析步中設(shè)定地應(yīng)力預(yù)定義場，保證貫入前地基在重力場作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，并用體力載荷代替重力載荷，將載荷分布于網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，質(zhì)量密度放大1 000倍，以節(jié)約計(jì)算成本。樁的貫入以位移為加載條件，設(shè)定樁的貫入位移為25 m。

圖7 地基網(wǎng)格模型

樁貫入初始階段，見圖8 a)，樁端底部土體向下運(yùn)動(dòng)，樁側(cè)土體向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致土體表面失效，土體材料被樁擠入void層內(nèi)。貫入深度為0.32D見圖8 b)，在樁側(cè)土體有相當(dāng)大的旋轉(zhuǎn)速度，樁側(cè)土體開始回流，此深度即臨界深度H。土體回流至樁靴被全部覆蓋見圖8 c)，引起土體表面向下移動(dòng)。深度貫樁見圖8 d)，土體回流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，樁側(cè)有局部土體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，土體表面大部分則沒有受到回旋運(yùn)動(dòng)影響。數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中模擬結(jié)果一致。

3 樁端極限承載力

樁端極限承載力［12-13］，Hossain等通過實(shí)驗(yàn)研究得知，深度貫入的樁，樁側(cè)土體發(fā)生回流時(shí)的承載力因數(shù):

式中:F——計(jì)算樁貫入阻力;

γ——土體材料重度;

A——樁靴覆蓋面積;

V——樁靴體積;

Suo——樁靴尺寸最大處土體不排水抗剪強(qiáng)度。

土體不排水抗剪強(qiáng)度:

式中:Sum——泥水分界面處土體抗剪強(qiáng)度;

k——貫入系數(shù);

z——貫入深度。一般取Su代替Suo。

數(shù)值計(jì)算采用馬來西亞高嶺土，土體有效重度為6 kN/m，泊松比為0.33，摩擦角為23°，內(nèi)粘聚力為1 kPa，彈性模量梯度為520 kPa/m。

樁土貫入過程中，對于端承樁，樁土間摩擦模式對有限元分析的穩(wěn)定性影響可忽略［14］。用ALE方法模擬樁端極限承載力與文獻(xiàn)［6］中CEL模擬樁端極限承載力比較，見圖9。

圖8 CEL模擬土體流動(dòng)及表面失效矢量

圖9 ALE/CEL地應(yīng)力、樁端極限承載力比較

由圖9可見，ALE算法可更好地保證樁土貫入前地應(yīng)力的平衡穩(wěn)定。在樁貫入過程中，ALE數(shù)值模擬結(jié)果較文獻(xiàn)［6］中CEL模擬結(jié)果偏大，這是因?yàn)镃EL方法里允許網(wǎng)格不被材料100%填充，即網(wǎng)格部分充滿或者有空隙，一旦材料流出歐拉區(qū)域，以及貫入初始階段部分材料被擠入void層流失，這部分材料即失效。而ALE方法則保證材料隨網(wǎng)格一起變化。ALE、CEL數(shù)值模擬中曲線出現(xiàn)波動(dòng)是因?yàn)樵谂R界深度之后，土體的回流導(dǎo)致樁端垂向承載力減小:土體回流導(dǎo)致樁端下部形成瞬態(tài)吸力，引起同垂向連續(xù)載荷反向的短暫承載力。同時(shí)，由于樁下壓導(dǎo)致土體破壞重塑，發(fā)生波動(dòng)。對比表明，采用ALE方法更可靠。

4 結(jié)論

1)基于ALE算法對樁土貫入過程的瞬態(tài)研究證明樁靴上部空腔形成、發(fā)展和破壞的主要原因是樁側(cè)土體回流運(yùn)動(dòng)，而非空腔垂直壁面的不穩(wěn)定所致，與Hossain土工離心試驗(yàn)結(jié)果一致。坍塌的空腔會導(dǎo)致樁端承載驟增，加速樁土貫入速度，對結(jié)構(gòu)安全不利。

2)ALE算法較之CEL算法更能夠保證地應(yīng)力的穩(wěn)定性。地應(yīng)力的穩(wěn)定可緩解樁土貫入過程中樁端承載的波動(dòng)變化，有利于平穩(wěn)貫樁實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，ALE方法保證材料-邊界-網(wǎng)格的一致性運(yùn)動(dòng)，模擬樁端極限承載力較之CEL結(jié)果偏大。

3)ALE模擬樁端承載過大，主要是因?yàn)闃堆ド喜客馏w的回流沖擊樁靴導(dǎo)致樁靴下部形成瞬態(tài)吸力所致，土體回流時(shí)樁靴上下部土體的流速差有待于進(jìn)一步研究。

4)計(jì)算采用ALE數(shù)值模擬樁土貫入，樁端承載大，有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證平臺安全作業(yè)。

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Penetration Transient Study on Pipe-foundation about Jack-up Platform Based on CEL and ALE Algorithms

ZHANG Zhao-de，ZHANG Xin，LI Jun-lai
(1.School of Navel Architecture and Civil Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan Zhejiang 316004，China; 2.Zhejiang Key Laboratory of Offshore Engineering Technology，Zhoushan Zhejiang 316022，China)

To research the spudcan bearing capacity，the cavity formation，development and failure mechanism and the soil back-flow and the distribution of the soil stress in pile-soil penetration process，two algorithms are adopted，and the numerical simulation results are compared with the related geotechnical centrifugal model test.The results show that the geotechnical stress of the foundation is more stable in ALE than CEL.The ALE result are consistent with the geotechnical centrifugal model test.The spudcan bearing capacity is more realistic and believable in ALE model than CEL model，because the ALE algorithm ensured the consistency of the material-boundary-mesh.The ALE algorithm is superior to CEL algorithm in the penetration mechanism of pipe-foundation in dynamic process.

CEL;ALE;soil back-flow;the ultimate bearing capacity;cavity

TU473.1

A

1671-7953(2015)02-0149-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.037

2014-11-12

修回日期:2014-12-15

國家自然科學(xué)基金(51179173)

張兆德(1964-)，男，博士，教授

研究方向:海洋工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

E-mail:zhangzhaode@163.com