波浪和水流荷載作用下大直徑鋼圓筒貫入垂直度分析

董德龍，李偉，沈曉鵬，李書兆，吳非，李可

（1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100010）

（ 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

近年來，深插大直徑鋼圓筒被成功應(yīng)用于港珠澳大橋，深中通道人工島以及其他工程建設(shè)當(dāng)中[1]。由于大直徑鋼圓筒具有地層適應(yīng)廣，施工速度快等優(yōu)點，在港口及海洋工程中都具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

針對大直徑鋼圓筒的設(shè)計計算，周紅星（2015）結(jié)合現(xiàn)場試驗結(jié)果，采用數(shù)值模擬的方法探討了大直徑鋼圓筒的變形特性[2]；鑒于大直徑鋼圓筒自身的特點，針對施工的研究更為活躍。胥新偉等結(jié)合港珠澳大橋的鋼圓筒施工，探討了大直徑鋼圓筒振沉計算方法[3]。

現(xiàn)有的工程經(jīng)驗顯示，在鋼圓筒振沉過程中可能會出現(xiàn)偏位、傾斜現(xiàn)象。楊合林等（2020）指出這一現(xiàn)象的主要原因包括：振沉區(qū)域的環(huán)境荷載導(dǎo)致的圓筒位移和傾斜；地表硬層分布不均導(dǎo)致的筒體自沉傾斜；振沉過程中，現(xiàn)場操作例如吊船起重量改變，錨纜松緊度不均產(chǎn)生的船體變位導(dǎo)致的筒體偏位和傾斜[4]。由于海上安裝施工風(fēng)險大，作業(yè)成本高，操作程序復(fù)雜，受環(huán)境條件制約嚴(yán)重，為保證海上施工的順利進(jìn)行，避免振沉過程中可能的風(fēng)險，有必要對環(huán)境荷載對鋼圓筒垂直度影響進(jìn)行分析。

海洋工程中的大尺度通常用d/L ＞ 0.2作為劃分大尺度和小尺度結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，其中d為結(jié)構(gòu)物特種尺度如柱的直徑，L 為波長[5]。對于大尺度的結(jié)構(gòu)物，情況就比較復(fù)雜，此時需要考慮結(jié)構(gòu)自身對流場的影響[6]。目前，除了少數(shù)簡單幾何形式有明確的解析解，絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)形式通常需要數(shù)值計算，各種邊界元方法被廣泛應(yīng)用[7]。對于波流作用下結(jié)構(gòu)物上的荷載計算一般采用CFD軟件進(jìn)行計算，目前常用的CFD軟件包括ANASYS Fluent，Star-CCM，OpenFOAM等等。

本文采用波浪、水流荷載和貫入過程非耦合的計算方法，對波浪，潮流在大直徑鋼圓筒自沉和振沉過程中垂直度的影響進(jìn)行了計算分析,分析結(jié)果為現(xiàn)場安裝操作提供依據(jù)。

1 工程背景

該工程采用直徑為30m，高度15m大直徑鋼圓筒結(jié)構(gòu)。工作海域的水深為22m, 現(xiàn)場的土層分布見表1。

表1 現(xiàn)場的土層分布

在大直徑鋼圓筒安裝時采用12臺APE600液壓振動錘聯(lián)動進(jìn)行沉樁，入泥深度15m。

由于大圓筒一直位于水面以下，因此計算中不考慮風(fēng)荷載作用；對于波流采用最不利的海洋荷載。同時假設(shè)波浪傳播方向與水流方向一致。在鋼圓筒海上施工期間，作業(yè)的環(huán)境荷載見表2。

表2 波浪、流條件

2 數(shù)值模擬方法

本文先通過有限體積法計算作用在海底以上一定高度的大圓筒上的波浪和水流荷載，然后將計算得到的波浪和水流荷載施加在大圓筒上，通過CEL有限元法計算在該波浪和水流荷載、結(jié)構(gòu)自重以及振動錘激振荷載作用下的位移情況。采用Star-CCM+軟件進(jìn)行有限體積法計算水動力荷載；采用Abaqus進(jìn)行大圓筒的垂直度計算。

2.1 波浪、水流荷載的模擬方法

波浪傳播和水流方向均取為x方向。由于對稱性，計算模型在y方向上取實際模型的一半。計算域在波的傳播方向長度取190m，寬度取95m，計算域的高度為27m，保證計算域的邊界不影響計算結(jié)果。

計算域的左右兩側(cè)、后側(cè)的邊界條件為速度入口（Velocity Inlet），前側(cè)的邊界條件為對稱面（Symmetry Plane），底部邊界條件為墻（Wall），頂部的邊界條件為壓力出口（Pressure Outlet），大圓筒內(nèi)外兩側(cè)的邊界設(shè)為墻（Wall）。流體經(jīng)過墻體表面時滑動速度和剪切荷載之間的關(guān)系設(shè)置為滑動（Slip）。為了避免波浪在邊界出現(xiàn)衰減的現(xiàn)象，在速度入口邊界激活Wave Force，Wave Force長度設(shè)置為70m。

使用多相流模型模（VOF）擬波浪荷載，使用默認(rèn)的K-Epsilon 湍流模型，并在-z方向施加重力。采用5階波浪理論，波浪特性通過選擇輸入周期的方式確定。

采用隱式非穩(wěn)定（Implicit Unsteady）模式，時間步長為0.01s。

2.2 垂直度計算的模擬方法

采用CEL有限元分析方法進(jìn)行鋼圓筒垂直度的計算，其中大圓筒用Lagrange方法描述，地基采用Euler方法描述。計算的模型不考慮基槽開挖地面以上土體的影響，即認(rèn)為地基底面從邊坡底部開始。計算幾何模型如圖3所示。

圖1 幾何模型

假定大圓筒為剛體，其單元類型為8節(jié)點三維體單元；地基采用Euler方法描述，為了允許大圓筒貫入過程中土體向上隆起，建立模型時在地基表面向上取0.5m為計算模型的一部分，該部分區(qū)域初始材料設(shè)置為空。

地基底部三個方向上的速度設(shè)為0，對稱面上法向速度為0，三個側(cè)面在三個方向上的速度為0。大圓筒除了在z方向位移、x方向位移和繞y軸的轉(zhuǎn)動外，其他方向的位移和轉(zhuǎn)動完全約束。大圓筒和地基之間設(shè)置接觸面單元。切向接觸面采用為摩爾剪切特性，法向接觸為硬接觸，允許脫離。

根據(jù)土體的類型，地基土體的力學(xué)模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型（其中內(nèi)摩擦角為0的土體采用Mises理想彈塑性模型實現(xiàn)），根據(jù)勘察報告提供的建議值，場地土體的具體力學(xué)參數(shù)如表3所示。

3 4.6粉質(zhì)黏土8.2 18×103 0.4 0 60 4 1.6粉土8.5 10×103 0.37 25 0 5 3.6粉質(zhì)黏土9.5 21×103 0.4 0 70 6 1.1粉質(zhì)黏土9.5 27×103 0.4 0 90 7 10.3細(xì)砂9.7 13×103 0.30 35 0

表3 海底土層性質(zhì)表

在大圓筒貫入過程中，受到的荷載包括大圓筒自重、振動錘和夾具的重量、起吊輔助結(jié)構(gòu)的重量、水平方向的波浪和水流荷載以及繞縱軸旋轉(zhuǎn)的力矩。其中，大圓筒的重量通過在縱軸方向施加重力加速度的方法實現(xiàn)，振動錘和夾具的重量、起吊輔助結(jié)構(gòu)的重量以集中力的形式施加在大圓筒的中心位置，波浪和水流荷載以及繞縱軸旋轉(zhuǎn)的力矩的作用點位置為大圓筒在泥面高度的中心位置處。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 波浪及水流荷載

大圓筒的存在導(dǎo)致水流通過該區(qū)域時水流運動狀態(tài)發(fā)生改變，從圖2中可以看出，由于大圓筒壁的阻擋作用，水體在大圓筒附近和內(nèi)部的流動方向發(fā)生了變化。大圓筒結(jié)構(gòu)物內(nèi)部是空的，其內(nèi)部存在流體，且該流體和外界流體聯(lián)通形成一體，外界波浪和水流作用下內(nèi)部水體形成一個旋渦狀的流動。

圖2 水流流動方向矢量圖

由于大圓筒壁改變了水流的流動狀態(tài)，大圓筒壁表面將受到水流對其產(chǎn)生的壓力和粘滯力作用，從圖3中可以看出，由于水流運動方向的變化，導(dǎo)致大圓筒壁不同位置受到的水壓力不同，在筒壁阻止水流流入的位置為正水壓力，而在筒壁阻止水流流離的位置出現(xiàn)負(fù)水壓力，出現(xiàn)正、負(fù)水壓力的具體位置與除了與筒壁的內(nèi)外位置有關(guān)外，還和波浪的相位（即時間）有關(guān)。

圖3 大圓筒壁受到的動水壓力（單位：kPa）

將作用在大圓筒筒壁上的水壓力進(jìn)行積分后可以得到作用在大圓筒上的動水荷載以及水壓力分布不均勻?qū)е碌牧?。從圖4中可以看出，隨著時間的增加，作用在大圓筒上的水平荷載和力矩也在做波動變化，而且隨著時間的增加，荷載和力矩的峰值及谷值都在逐漸降低，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是由于隱性非穩(wěn)態(tài)方法計算波浪荷載的完全傳播過程需要一些時間。

圖4 作用在大圓筒上的荷載和力矩

取波浪和水流對大圓筒的荷載及彎矩變化曲線達(dá)到穩(wěn)定的周期性變化時的峰值為波浪和水流聯(lián)合作用下大圓筒受到的動荷載峰值，泥面以上不同的大圓筒高度對應(yīng)的該峰值結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著高度的降低，水平荷載和彎矩都逐漸減小，且高度越低變化幅度越小。

圖5 泥面以上不同大圓筒高度對應(yīng)的波浪和水流荷載

3.2 大直徑鋼圓筒的垂直度

計算得到大直徑鋼圓筒載自沉貫入過程中大圓筒的轉(zhuǎn)角隨底部入土深度的變化如圖6所示。從圖中可以看出，隨著深度的增加，轉(zhuǎn)角逐漸增大，當(dāng)深度達(dá)到-2.99m時，沉降出現(xiàn)回彈，此時大圓筒的轉(zhuǎn)角達(dá)到0.003，隨沉降的回彈大圓筒的轉(zhuǎn)角也有部分回彈，然后再次增加，最后轉(zhuǎn)角達(dá)到0.0047。

圖6 自重貫入過程大圓筒繞Y軸轉(zhuǎn)角

計算得到振動錘打入過程大圓筒的轉(zhuǎn)角隨時間的變化如圖7所示。從圖中可以看到，在開始時轉(zhuǎn)角的數(shù)值有一個緩慢的增加，當(dāng)增加到0.00527時，隨著時間的增加，轉(zhuǎn)角開始減小。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是隨著深度的增加，土體對大圓筒產(chǎn)生彎矩的抗力逐漸增大，同時水平荷載和彎矩逐漸減小，因此導(dǎo)致傾斜度的減小。最大轉(zhuǎn)角對應(yīng)的傾斜度為0.00527，根據(jù) 《水運工程施工與驗收規(guī)范》（JTS257-2008）規(guī)定：單樁垂直度（樁尖對縱軸線偏斜）沉樁偏差驗收要求為10 mm/m，即沉樁時垂直度是以1 %樁長來控制的（10 mm/1 000 mm=1/100），此計算結(jié)果滿足該要求。

圖7 振動錘打入過程大圓筒繞y軸轉(zhuǎn)角

3. 安裝現(xiàn)場的水動力條件對大直徑鋼圓筒貫入的垂直度的影響隨貫入深度的變化而變化。在貫入深度較小時，大鋼圓筒的傾斜度隨著貫入深度的增加而增加；隨著入泥深度的增加，土體對大圓筒產(chǎn)生彎矩的抗力逐漸增大，同時水動力導(dǎo)致的水平荷載和彎矩逐漸減小，鋼圓筒的傾斜度隨著貫入深度的增加而減小。

在現(xiàn)場施工過程中，可根據(jù)鋼圓筒垂直度變化的特征合理確定施工方案，保證現(xiàn)場施工的順利進(jìn)行。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法考慮了水動力條件對大直徑鋼圓筒在貫入期間垂直度的影響,通過計算得到如下的結(jié)論,

1. 由于大直徑鋼圓筒在安裝其間一直位于水面以下,大直徑鋼圓筒的存在對波面的影響不明顯;但是水體在大圓筒附近和內(nèi)部的流動方向受筒壁影響而發(fā)生了變化。在外界波浪和水流作用下，內(nèi)部水體形成一個旋渦狀的流動，產(chǎn)生了動水荷載以及水壓力分布不均勻?qū)е碌牧亍?/p>

2. 受波浪周期性的影響，作用在大圓筒上的水平荷載和力矩也做波動變化，動荷載峰值，隨著大直徑鋼圓筒入泥深度的增加，水平荷載和彎矩都逐漸減小，且入泥深度越大變化幅度越小。