桶形基礎(chǔ)負(fù)壓下沉靜力分析

張心愿 畢龍杰 張鐸翰 桂勁松

摘? 要：桶形基礎(chǔ)在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中，首先依靠桶體的自重和上部壓載作用，使桶體下沉至泥面以下一定深度;然后把桶頂上預(yù)留的抽水口連接至潛水泵進(jìn)行抽水，在桶內(nèi)外壓力差的作用下使桶體緩慢下沉至設(shè)計(jì)深度。桶形基礎(chǔ)負(fù)壓下沉?xí)r桶體受力情況是關(guān)鍵性問題。本文應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)桶形基礎(chǔ)承載力進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)有限元結(jié)果分析闡述桶形基礎(chǔ)在豎向荷載下的承載特性，并對(duì)桶體負(fù)壓下沉?xí)r桶體的內(nèi)力分布特性進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：桶形基礎(chǔ) 數(shù)值模擬 負(fù)壓下沉 內(nèi)力分布

1.桶體安裝施工過程

鋼桶在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中，打開桶頂上預(yù)制的排水閥，首先利用桶體的自重作用和外部壓載作用，使其下沉到海床以下一定深度，在桶內(nèi)空間形成密封條件，而后使用抽水泵和真空泵抽吸桶體內(nèi)的水和空氣。當(dāng)壓差足夠大時(shí)，桶形基礎(chǔ)就會(huì)在負(fù)壓的作用不斷壓入土中，直至貫入到預(yù)設(shè)深度，其原理如圖1所示。此外，當(dāng)拆卸基礎(chǔ)時(shí)時(shí)，通過對(duì)內(nèi)部施加壓力，可以相當(dāng)容易地拆卸桶體。

圓柱殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)如DNV或歐洲規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)要求假設(shè)理想的邊界條件，如固定、簡(jiǎn)支或自由。

1.1地質(zhì)及桶體參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)剖面圖鉆孔，鋼質(zhì)桶安裝土層物理學(xué)參數(shù)見表1，鋼桶物理學(xué)參數(shù)見表2。

2.有限元計(jì)算模型

2.1桶體受力情況分析

本文采用9m、13m、17m三種埋深，9種工況進(jìn)行分析。

（1）埋深9m

埋深9米極端低水位和極端高水位時(shí)，考慮最不利情況，可提供0.3個(gè)負(fù)大氣壓，埋深9m時(shí)桶體受力情況如圖2所示。

（2）埋深13m

埋深13m與埋深9m受力情況基本相同，提供軸壓圍壓更大，埋深13m時(shí)桶體受力情況如圖3所示。

（3）埋深17m

當(dāng)桶體全部進(jìn)入土層 ，即埋深17m時(shí)，桶體已進(jìn)入粉砂土層，桶內(nèi)外圍壓近似抵消，埋深17m時(shí)桶體受力情況如圖4所示。

2.2桶體模型計(jì)算域及邊界條件的設(shè)置

地基土體尺寸選取時(shí)，在桶體承受荷載的前后兩側(cè)取其10倍的桶徑，作為土體計(jì)算域的長(zhǎng)度，桶底以下地基土體的高度取3倍桶徑，地基土體模型見圖5。針對(duì)桶體結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的受力情況，該有限元模型土體底面設(shè)置為固定邊界;土體的外圍設(shè)置為側(cè)限邊界。

3.有限元計(jì)算分析

3.1桶體應(yīng)力分析

在有限元計(jì)算中，取不同埋深（H=9m，13m，17m）和不同水位（H=0m，1m，5m）的組合進(jìn)行計(jì)算，不同情況下桶體受力情況如下。

（1）埋深為9m時(shí)，不同水位作用下桶體應(yīng)力分析

埋深為9m時(shí)，桶下部嵌入淤泥中，其應(yīng)力云圖見圖6所示。由圖中可以看出，當(dāng)桶體沒于水下時(shí)，水位高低對(duì)于應(yīng)力的分布有很大影響;并且可以看出，桶體軸向應(yīng)力在土面以上基本不發(fā)變化，而在土面以下，軸向應(yīng)力會(huì)逐漸減小;隨埋深增加，徑向應(yīng)力逐漸減小且趨于穩(wěn)定。

（2）埋深為13m時(shí)，不同水位作用下桶體應(yīng)力分析

埋深為13m時(shí)，根據(jù)受力情況計(jì)算出不同水位下桶體受力情況見圖7中，由圖中可以看出，當(dāng)桶體沒于水下時(shí)，水位高低對(duì)于應(yīng)力的分布有很大影響，水位增大，應(yīng)力值明顯增大;并且可以得出，隨埋深增加，軸向會(huì)逐漸減小;桶體徑向應(yīng)力隨埋深呈穩(wěn)定趨勢(shì)。

（3）埋深為17m時(shí)，不同水位作用下桶體mises應(yīng)力云圖

埋深為17m時(shí)，桶體全部嵌入土中，所受荷載為上部水壓力見圖8中，由圖中可以看出，當(dāng)桶體沒于水下時(shí)，水位高低對(duì)于應(yīng)力的分布有很大影響，水位增大，應(yīng)力值明顯增大;并且可以得出，隨埋深增加，軸向會(huì)逐漸減小。

4.主要結(jié)論

本章主要通過分析桶體結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中不同狀態(tài)下的受力情況，提取出桶體應(yīng)力沿桶長(zhǎng)度方向的分布。主要結(jié)論如下：

對(duì)不同埋深下桶體進(jìn)行實(shí)際工況下的模擬，可以得出，土面以上的桶體應(yīng)力隨深度變化較小，而土面以下應(yīng)力值有減小趨勢(shì)，可見，土體對(duì)桶體能起到加固作用。

比較不同工況下桶體整體應(yīng)力分布，不難看出，隨著桶體埋深增加，桶體應(yīng)力值呈增大趨勢(shì)，由此得到桶體不同受力情況下最不利的受力情況，即桶體全部埋入時(shí)，軸向受力最大。桶體在水面以上抽真空負(fù)壓時(shí)，徑向受力最大。

參考文獻(xiàn)：

[1]Numerical buckling analysis of large suction caissons for wind turbines on deep water.

[2]DNV-RP-C202，Recommended practice：buckling strength of shells.Det NorskeVeritas，2010.

[3]EN 1993-1-6，Eurocode 3–design of steel structures–part 1–6：strength and stability of shell structures，1997.

[4]Eid H T.Bearing Capacity and Settlement of Skirted Shallow Foundations on Sand[J].International Journal of Geomechanics，2012，13（5）：645一652.