樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)樁端極限承載力的影響

張兆德，呂國(guó)興，張心

1浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022

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

樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)樁端極限承載力的影響

張兆德1，2，呂國(guó)興1，2，張心1，2

1浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022

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

以渤海灣“勝利五號(hào)”自升式作業(yè)平臺(tái)樁基貫入工程實(shí)例為基礎(chǔ)，優(yōu)化自升式平臺(tái)樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)位置，采用有限元數(shù)值模擬位置優(yōu)化后的樁端極限承載力，并與實(shí)際樁端承載進(jìn)行比較。優(yōu)化結(jié)果表明：沿樁靴徑向和垂向優(yōu)化發(fā)現(xiàn)樁端極限承載力由內(nèi)向外是先增大、后減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)在r'/r=0.6，h/H=0.4處優(yōu)化達(dá)到預(yù)期效果；合理優(yōu)化樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)的位置可以改變樁靴上端面土體流動(dòng)方向，減小土體對(duì)樁靴上端面沖量及樁靴上、下端面土體流速差，穩(wěn)定貫樁過程，能夠增加樁端極限承載力。

自升式平臺(tái)；樁靴；極限承載力；支護(hù)；數(shù)值模擬

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.020.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：張兆德，呂國(guó)興，張心.樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)樁端極限承載力的影響［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（2）：66-71.

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）：66-71.

0　引　言

在近海石油勘探與開發(fā)過程中，自升式平臺(tái)是一種常用的移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式。此類海洋工程結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是依靠樁腿和樁靴支持在海底基礎(chǔ)上，其入泥深度遠(yuǎn)小于樁靴尺度，因此經(jīng)常會(huì)發(fā)生地基不穩(wěn)、樁腿沉降不勻、平臺(tái)傾斜、沖刷與淘空現(xiàn)象。同時(shí)，樁靴上部空腔破壞后坍塌的土體覆蓋在樁靴上部會(huì)加大拔樁作業(yè)的困難。對(duì)樁基貫入問題，國(guó)內(nèi)、外學(xué)者開展了大量研究［1-5］，但是對(duì)于自升式平臺(tái)樁靴的優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及較少。樁靴結(jié)構(gòu)形式影響貫樁過程中樁側(cè)土體的回流機(jī)制［6］，現(xiàn)有樁靴結(jié)構(gòu)雖保證了平穩(wěn)貫樁，卻忽略了樁側(cè)土體回流機(jī)制對(duì)插拔作業(yè)的影響、支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的影響。吳賢國(guó)等［7］采用有限元方法研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)上部框架結(jié)構(gòu)—筏基—地基的共同作用體系的作用，研究認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)可以分擔(dān)建筑物的部分載荷，影響地基承載力，同時(shí)也增大了基礎(chǔ)內(nèi)力。楊光華［8］對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形計(jì)算提出了一套系統(tǒng)的實(shí)用計(jì)算方法，較好地解決了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算的關(guān)鍵問題，并已經(jīng)在工程實(shí)踐中成功應(yīng)用。

與實(shí)際樁靴樁端承載比較發(fā)現(xiàn)，由于樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，影響了貫樁過程中樁側(cè)土體的回流形式。沿徑向和垂向分別選取優(yōu)化位置并分析，發(fā)現(xiàn)不同位置處樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)樁端極限承載影響不同。

1　樁靴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1有限元數(shù)值模型

圖1　樁靴模型Fig.1　The spudcan model

圖2　地基網(wǎng)格模型Fig.2　The foundation mesh model

樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化位置沿徑向和垂向的分布如表1所示。表中：r'為徑向優(yōu)化位移至樁軸中心線的水平距離；r為樁靴半徑；H為樁靴貫入地基的深度，取H=6 m；h'為垂向優(yōu)化位置至樁靴上部的垂直距離。

表1　樁靴優(yōu)化位置Tab.1　The optimized position on spud can

1.2工程地質(zhì)條件

在以樁端極限承載力為研究重點(diǎn)的問題中，應(yīng)考慮樁靴上部空腔破壞，土體回流對(duì)樁端承載的影響，因此在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中以樁靴上部完全被土體所覆蓋為原則來探究樁端極限承載力。由于土質(zhì)材料的不同，硬土空腔狀態(tài)不易發(fā)生破壞，不適宜探究樁端極限承載力問題。在插樁深度范圍內(nèi)的地基土主要由粘土、淤泥質(zhì)粘土和粉土構(gòu)成，為準(zhǔn)確模擬樁基貫入過程及樁靴上部空腔形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)樁端極限承載力的影響，對(duì)土質(zhì)參數(shù)進(jìn)行軟化處理，將土質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為粘土屬性，如表2所示。

表2　土體參數(shù)Tab.2　The soil parameters

2　樁端承載力工程應(yīng)用與研究

對(duì)優(yōu)化位置分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算、分析，發(fā)現(xiàn)樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在改變了樁土貫入過程局部性能，但是沿垂向、徑向不同位置，貫樁阻力隨貫入深度的變化趨勢(shì)一致，樁端承載存在局部波動(dòng)。即對(duì)樁靴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化并沒有改變樁端承載的趨勢(shì)，符合結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。圖3所示為沿樁靴垂向優(yōu)化位置貫入深度與樁端承載力示意圖，圖4所示為沿樁靴徑向優(yōu)化位置貫入深度與樁端承載力示意圖。

圖3　垂向優(yōu)化樁貫入阻力Fig.3　The spudcan penetration resistance on vertical optimized position

圖4　徑向優(yōu)化樁貫入阻力Fig.4　The spudcan penetration resistance on radial optimized position

2.1樁靴結(jié)構(gòu)沿徑向優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用有限元數(shù)值模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)樁端極限承載力的影響，并與實(shí)際樁端承載進(jìn)行比較?！皠倮逄?hào)”自升式平臺(tái)樁靴樁端承載實(shí)際載重RF= 9 880 000 N，如圖5中虛線所示。

由圖5可知，同一徑向位置，樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)沿不同垂向位置優(yōu)化對(duì)樁端承載影響不同。其中，在徑向位置r'/r=0.6處，樁端極限承載力優(yōu)化效果最好；在r'/r=0.5，h/H=0.4和r'/r=0.7，h/H=0.4處，樁端極限承載力均超過了實(shí)樁樁端極限承載力；在r'/r=0.8處，樁端極限承載力小于實(shí)樁樁端極限承載力。

圖5　徑向位置r'/r=0.5，0.6，0.7，0.8處樁端極限承載力變化Fig.5　The spudcan bearing capacity at radial optimized position r'/r=0.5，0.6，0.7，0.8

可知，沿徑向樁端支護(hù)優(yōu)化由內(nèi)向外的樁端極限承載力是先增大后減小。在r'/r=0.6處，h/H=0.3，0.35，0.4處優(yōu)化達(dá)到預(yù)期效果。

2017年10月18日，在中國(guó)共產(chǎn)黨第十九次全國(guó)代表大會(huì)上，習(xí)近平總書記首次提出“新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想”。十九大的召開，標(biāo)志著中國(guó)步入了社會(huì)主義發(fā)展的新時(shí)代，在“新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想”中，建設(shè)文化強(qiáng)國(guó)，是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)的前提和基礎(chǔ)。

2.2樁靴結(jié)構(gòu)沿垂向優(yōu)化設(shè)計(jì)

由圖6可知，同一垂向位置，樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)沿不同徑向位置優(yōu)化對(duì)樁端承載力的影響不同。其中，在垂向位置h/H=0.40，r'/r=0.6，0.7處，樁端極限承載力優(yōu)化效果最好；隨著垂向深度的增加，樁端極限承載力是先增大后減小。

圖6　垂向位置h/H=0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50處樁端極限承載力的變化Fig.6　The spudcan bearing capacity at vertical optimized position h/H=0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50

隨著垂向優(yōu)化位置變大，樁靴上部空腔體積先增大后減小，樁端極限承載力也是先增大后減小，其中在h/H=0.40，r'/r=0.6，0.7處優(yōu)化效果達(dá)到預(yù)期。

3　土體流動(dòng)機(jī)理變化

3.1支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)樁側(cè)土體流動(dòng)的影響

貫樁過程中，樁側(cè)土體流動(dòng)形式及樁靴上部空腔形態(tài)的變化對(duì)樁端承載力的影響很大。樁靴優(yōu)化前、后，樁靴上部從空腔形態(tài)開始破壞（圖7（a）、圖7（b））至空腔破壞穩(wěn)定狀態(tài)（圖7（c）、圖7（d））時(shí)樁靴上、下端面土體流動(dòng)速度矢量圖如圖7所示。

圖7　樁靴上、下端面土體流動(dòng)速度矢量分布Fig.7　The soil flow velocity vector distribution on the spudcan

貫樁初始階段至空腔開始破壞，樁靴下土體被擠入樁側(cè)，在樁側(cè)，土體有相當(dāng)大的回旋速度。由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，改變了樁側(cè)土體的流動(dòng)機(jī)制，支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致空腔的破壞提前發(fā)生，并且樁側(cè)土體的回旋速度也較未優(yōu)化樁靴小，土體在空腔垂直剪切面破壞速度小。在樁土貫入過程中，樁側(cè)土體回流導(dǎo)致空腔垂直剪切面發(fā)生剪切破壞［11］。由空腔垂直剪切面破壞，導(dǎo)致該垂直面上的土體對(duì)樁靴上部端面有一定的速度沖擊。同時(shí)，樁端下部土體受壓被擠入樁側(cè)致樁靴下形成瞬態(tài)吸力［12］，導(dǎo)致在樁靴上、下端面形成速度逆差，由于該速度逆差的存在，導(dǎo)致貫樁過程中樁端承載呈現(xiàn)波動(dòng)。若該速度逆差變大，易導(dǎo)致樁靴上部空腔坍塌破壞，不利于貫樁穩(wěn)定性。

至貫樁達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，樁靴上部完全被土體覆蓋，空腔破壞形態(tài)穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在使樁側(cè)土體僅存在局部的土體回旋運(yùn)動(dòng)，土體表面運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。對(duì)于未優(yōu)化樁靴，其上端面存在垂直沖擊速度，同時(shí)樁靴下土體的分離速度比較激烈，貫樁速度仍有較大速差存在。

由樁靴上、下端面土體流動(dòng)速度矢量圖可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在在一定程度上改變了樁側(cè)土體的流動(dòng)形式，緩和了樁側(cè)土體的回旋運(yùn)動(dòng)，使得貫樁過程更加穩(wěn)定。

3.2樁靴上、下端面土體流速差

樁土貫入過程中，原始樁靴與優(yōu)化樁靴上、下端面的土體流動(dòng)速度分布如圖8所示。貫樁初始階段，樁靴上、下端面土體流動(dòng)速度及速度差較小。至空腔開始破壞時(shí)刻，貫樁深度達(dá)到臨界深度h=1.73 m后，樁靴下土體被擠入樁側(cè)，土體在樁側(cè)開始回流運(yùn)動(dòng)。樁靴上部空腔在回流土體的沖擊作用下，沿空腔垂直剪切面發(fā)生剪切破壞，樁靴上部土體回流速度變大；貫樁穩(wěn)定后，樁靴上、下端面土體流動(dòng)穩(wěn)定。

圖8　樁靴上、下端面土體流動(dòng)速度分布及相對(duì)速度Fig.8　The soil flow velocity distribution and the relative velocity at up and down the spudcan

樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)離樁軸中心線徑向位置越遠(yuǎn)，樁靴上部空腔的破壞提前，樁側(cè)土體回旋運(yùn)動(dòng)越緩和?？涨黄茐暮笸馏w回流沖擊樁靴上端面的垂向速度分量變小，樁靴上、下端面速度逆差減小。樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)離樁靴端面水平線垂向位置越遠(yuǎn)，空腔穩(wěn)定破壞前樁側(cè)土體回流至支護(hù)結(jié)構(gòu)后其速度垂向分量越小，但土體對(duì)樁軸的水平?jīng)_擊速度較大。

綜上所述，合理的樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)位置能夠增大貫樁過程中樁端極限承載力，在徑向優(yōu)化位置r'/r=0.6，垂向優(yōu)化位置h/H=0.40處，樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)樁端極限承載力貢獻(xiàn)最大。

4　結(jié)　論

通過有限元數(shù)值模擬分析樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)位置對(duì)樁側(cè)及空腔壁面土體流動(dòng)特性和樁端極限承載力的影響，并同實(shí)際工程中樁端承載力進(jìn)行比較、分析，得到以下結(jié)論：

1）樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)影響地基承載能力。樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)沿徑向位置優(yōu)化，距樁軸中心線由內(nèi)向外，樁端極限承載力是先增大后減??；樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)沿垂向位置優(yōu)化，距樁靴上端面由近及遠(yuǎn)，樁端極限承載力是先增大后減小。

2）樁靴支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在改變了樁靴上端面土體流動(dòng)機(jī)理。離樁軸中心徑向位置越遠(yuǎn)，樁靴上部空腔破壞越早；離樁靴上端面垂向位置越遠(yuǎn)，樁靴上部土體的垂向分量越小。支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在緩和了樁側(cè)土體的回旋速度，同時(shí)空腔壁面破壞后，土體沖擊樁靴上端面的速度變小，樁靴上、下端面土體流速差變小，更有利于穩(wěn)定的插樁作業(yè)。

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The effect of optimized structures on the spudcan bearing capacity

ZHANG Zhaode1，2，LV Guoxing1，2，ZHANG Xin1，2
1 School of Ship and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，China
2 Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang，Zhoushan 316022，China

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 r'/r=0.6 position and vertical h/H=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.

jack-up platform；spudcan；bearing capacity；supports；numerical simulation

U674.38+1；TU 473.1+1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.010

2015-05-11網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-3-17 10:56

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51179173，51379189）

張兆德，男，1964年生，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

呂國(guó)興（通信作者），男，1992年生，碩士生。研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析。

E-mail：1427997360@qq.com