基于CEL法的海洋自升式平臺插樁研究*

張湖賓 陳 晨

（江蘇科技大學機械工程學院 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

本文選取有限元方法來研究樁靴[1～3]的插樁，對比分析CEL方法在模擬樁靴插樁作業(yè)的優(yōu)點。相較于傳統(tǒng)有限元法，CEL計算結(jié)果更容易收斂且更加準確。數(shù)值計算[4～5]的優(yōu)點在于它在計算中考慮到很多常規(guī)計算公式規(guī)范中沒有考慮到的問題，比如海洋中地質(zhì)土層的不確定性、土體回流[6～9]情況、樁靴的結(jié)構(gòu)外形、穿刺問題等。

通過比例試驗驗證CEL數(shù)值方法的可靠性。建立四個等比縮放的樁靴模型，在上砂下黏[10～14]土體條件下進行模擬插樁。

探究裙擺型樁靴以及開孔型樁靴相較于普通樁靴在插樁過程中的區(qū)別；接著深入研究裙擺長度對于樁靴插樁的阻力變化，在裙擺長度不超過樁靴底部最下端時，發(fā)現(xiàn)裙擺長度對插樁整體阻力影響不明顯；比較開孔不同半徑的四孔、六孔、八孔的樁靴對于插樁的影響。

2 插樁試驗驗證

2.1 樁靴模型制備

進行插樁試驗主要用以驗證CEL法代替試驗的可行性，制作了四個底部形狀不同的樁靴模型。

如圖1（a）、（b）、（c）、（d）所示，所用縮比模型均為實際樁靴的1/100，探求樁靴底部加裙擺、開貫穿孔在上砂下黏土土基條件下的承載力大小以及穿刺風險等研究。

圖1 不同結(jié)構(gòu)的樁靴模型

2.2 CEL法模擬與試驗結(jié)果對比分析

通過對四種不同結(jié)構(gòu)的樁靴進行小比尺試驗，得出了在“上砂下黏”雙層土基[15]下插樁阻力隨插樁深度[16～17]的變化曲線。并與相應(yīng)的 CEL 數(shù)值仿真的結(jié)果進行對比，以此來驗證CEL數(shù)值仿真的可行性。下圖四個樁靴模型分別為普通型樁靴，用P簡化表示，開四孔型樁靴用S4簡化表示，開六孔型樁靴用S6簡化表示，裙擺型樁靴用Q簡化表示。這里采用的樁靴最大橫截面直徑D為60mm。

圖2表示普通型樁靴在試驗和數(shù)值模擬中插樁深度阻力變化曲線對比圖，圖3表示開四孔型樁靴在試驗和數(shù)值模擬中插樁深度阻力變化曲線對比圖。圖4表示開六孔型樁靴在試驗和數(shù)值模擬中插樁深度阻力變化曲線對比圖。圖5表示裙擺型樁靴在試驗和數(shù)值模擬中插樁插樁深度阻力變化曲線對比圖。

圖2 普通型樁靴插樁深度阻力曲線

圖3 開四孔型樁靴插樁深度阻力曲線

圖4 開六孔型樁靴插樁深度阻力曲線

圖5 裙擺型樁靴插樁深度阻力曲線

試驗曲線和仿真數(shù)值分析曲線存在一定的誤差，這可能是由于在試驗過程中土壤[18～19]的不排水抗剪強度的測量不準確，包括土體彈性模量以及摩擦角、黏聚力的測量有一定的誤差，因此插樁阻力隨深度變化的曲線的實驗值和數(shù)值仿真分析值具有一定的差異，但是可以很明顯地看到，經(jīng)過多次試驗四種不同結(jié)構(gòu)的樁靴和數(shù)值仿真曲線的趨勢大致相同，故本次試驗可以由仿真進行替代，為下文的分析提供了驗證基礎(chǔ)。

3 不同樁靴結(jié)構(gòu)的仿真分析

上文驗證了CEL方法替代試驗的可行性，下面將對不同形狀的樁靴在上砂下黏地基條件下進行研究。通過改變樁靴底面輪廓[20]、裙擺長度和樁靴開孔的數(shù)量來優(yōu)化基礎(chǔ)形狀。

3.1 數(shù)值仿真研究模型

本文樁靴裙擺的長度選取L≤0.2D，裙擺長度不超過樁靴最底端。當裙擺長度超過0.22D時，導致裙擺樁靴在插樁時裙擺的端承優(yōu)先貫入土體，因此本文選取裙擺長度小于等于0.2D進行研究。

由于過大的開孔面積會影響樁靴自身強度，出于樁靴自身強度的考慮，本文選取開孔數(shù)N分別為4、6、8。建立的裙擺不同長度幾何模型分別由圖6所示。圖7表示不同開孔數(shù)的樁靴幾何模型。

圖6 不同裙擺長度樁靴幾何模型

圖7 不同開孔數(shù)的樁靴幾何模型

3.2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

下面將對數(shù)值模擬分析的結(jié)果進行討論分析，分別繪制出插樁阻力隨深度的阻力變化曲線。

由圖8可以發(fā)現(xiàn)不同裙擺長度與普通型樁靴插樁阻力對比有一定明顯的區(qū)別，裙擺的長度對插樁阻力隨深度變化曲線可以歸納為：樁靴剛進入砂土層時，裙擺長度對插樁阻力的影響不是非常明顯。隨著裙擺長度的增加，裙擺達到阻力峰值的時間幾乎相等，之后阻力呈現(xiàn)降低的趨勢。當裙擺長度為12mm（0.2D）時，裙擺的峰值阻力520N，比其它裙擺長度的峰值阻力略大，但總體上來說沒有明顯區(qū)別。同時發(fā)現(xiàn)裙擺長度對于發(fā)生穿刺距離的影響不大。隨著插樁的進行，下部的土塞存留在樁靴底部，當插樁距離的增加，殘留的土體受到擠壓并且壓實要一定程度，裙擺樁靴的阻力增加的更快。

圖8 不同裙擺長度隨插樁深度的阻力變化曲線

從圖9可以看到不同開孔數(shù)量的樁靴隨深度變化曲線大致相同，開孔數(shù)的不同并沒有對插樁規(guī)程土體的流動造成很大影響。在上面分析了開四孔型樁靴在插樁作業(yè)時砂土沒有穿過孔洞，堵塞孔洞并被不斷壓實，填實后的插樁曲線與普通樁靴類似。由上訴插樁曲線可知其他開孔數(shù)量的樁靴在插樁過程中孔洞均被堵塞，因此不同開孔數(shù)樁靴插樁曲線相似。在插樁前期，雖然效果不明顯，但是依然可以看到開孔型樁靴插樁阻力隨開孔數(shù)的增大而減小，這有利于樁靴的入泥。開孔對于自升式鉆井平臺穿刺距離產(chǎn)生積極意義，在實際設(shè)計中可以把開孔作為設(shè)計樁靴來優(yōu)化的一種思路。

圖9 不同開孔數(shù)隨插樁深度的阻力變化曲線

4 結(jié)語

本文主要研究樁靴底部形狀在插樁過程中的影響。通過縮比試驗驗證了CEL法的可行性，分析對比試驗與仿真的誤差性。發(fā)現(xiàn)然后通過CEL數(shù)值仿真展開對裙擺樁靴的長度、壁厚以及開孔樁靴的孔數(shù)進行深入研究。得出了以下結(jié)論.

1）樁靴外加裙擺在上砂下黏的土體條件下，裙擺樁靴達到峰值阻力更快，并且發(fā)生穿刺的距離程度更小。因此外加裙擺對降低穿刺的風險產(chǎn)生積極的影響，并且可以提高樁靴插樁的穩(wěn)定性。

2）樁靴底部開貫穿孔使樁靴在穿刺風險上產(chǎn)生正面效果，在插入土體初期阻力更小，方面快速入泥，在插入到一定深度后因插樁泥土困在孔洞中，并被不斷壓實，帶來了更大的插樁阻力。

3）針對裙擺長度不超過樁靴最底端，樁靴裙擺長度對插樁阻力曲線的影響不明顯，過長的裙擺設(shè)計對樁靴的牽引帶來不利影響，在樁靴設(shè)計時結(jié)合裙擺有益影響，選取合適長度進行設(shè)計。

4）樁靴底部開不同數(shù)量的貫穿孔對插樁阻力隨深度變化的整體趨勢影響不明顯，開孔洞并沒有像一開始預想的一樣，在插樁過程中土壤沒有穿過孔洞，而是被困在其中并在插樁的過程中不斷被壓實，導致阻力的增大。