紀(jì)傳鵬，徐勝文，汪學(xué)鋒，丁愛兵，劉曉雷

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心（船海協(xié)創(chuàng)中心），上海 200240；3. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

淺水域的海洋結(jié)構(gòu)物通常采用的定位裝置有：固定式裝置、錨泊裝置和動(dòng)力定位系統(tǒng)。固定式海洋平臺(tái)定位精度高，但不便于平臺(tái)的轉(zhuǎn)移，當(dāng)遭遇極端海況時(shí)亦無法撤離平臺(tái)易使平臺(tái)遭受損壞釀成災(zāi)難。當(dāng)平臺(tái)在一個(gè)位置工作時(shí)間不是很久時(shí)不適用固定式裝置，且其拆卸工作較為復(fù)雜。錨泊裝置定位精度相對(duì)較低，對(duì)于如作為海上浮式機(jī)場或鉆井平臺(tái)的海洋結(jié)構(gòu)物易引起事故，且下錨和起錨過程較為復(fù)雜，需要工程輔助船的協(xié)助，耗費(fèi)大量時(shí)間和成本。動(dòng)力定位系統(tǒng)在平臺(tái)的整個(gè)工作期間均需啟動(dòng)動(dòng)力定位裝置，油耗高，既導(dǎo)致高昂成本也造成較嚴(yán)重的環(huán)境污染。

本文針對(duì)目前使用的定位裝置的不足，提出了一種新型定位裝置。該定位裝置采用可伸縮樁進(jìn)行定位，以半潛式平臺(tái)為例，可伸縮樁安裝于平臺(tái)中，且相應(yīng)地配套有用于升降可伸縮樁的裝置。當(dāng)平臺(tái)到達(dá)工作地點(diǎn)時(shí)，可伸縮樁向下移動(dòng)使樁低于平臺(tái)甲板，以便平臺(tái)在工作狀況下可充分利用其平臺(tái)區(qū)域。然后樁開始伸出直至觸碰到海床，接著使可伸縮樁長度固定且平臺(tái)注入壓載水把樁壓入海床一定距離。之后保持樁與土壤不脫離，邊伸長可伸縮樁邊排出平臺(tái)壓載水減小平臺(tái)吃水，以增大樁頂部的垂向力加快進(jìn)樁過程。重復(fù)這一過程直至樁達(dá)到設(shè)計(jì)插深，如圖1所示。當(dāng)平臺(tái)完成工作任務(wù)或遇到極端海況需要轉(zhuǎn)移時(shí)，排出平臺(tái)內(nèi)壓載水使樁與土壤脫離，然后使樁收縮并存放回平臺(tái)中。插樁和拔樁過程均可由浮體自身完成而無須工程輔助船協(xié)助，方便迅速，費(fèi)用較低。定位裝置定位精度高，機(jī)動(dòng)性能好，適用于海上浮式機(jī)場或島礁綜合補(bǔ)給基地等。特別是對(duì)于作用海上浮式機(jī)場的超大型浮體[1-6]，應(yīng)用可伸縮樁定位裝置后，浮體對(duì)于飛機(jī)起降所帶來劇烈變化的載荷定位裝置的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小，且工作狀態(tài)下樁移至浮體甲板以下，不會(huì)干擾甲板作為飛機(jī)跑道。應(yīng)用于生活平臺(tái)上可提高平臺(tái)上人員的舒適感。

圖1 新型定位裝置插樁過程示意圖Fig. 1 Plugging process of the novel positioning facility

三維有限元分析可以較準(zhǔn)確地模擬樁與土壤的相互作用，但為了保證計(jì)算精度，樁土接觸面處的網(wǎng)格應(yīng)足夠細(xì)進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)量很大，如本文中的三維有限元模型網(wǎng)格數(shù)量為幾萬，單次靜力分析時(shí)間為幾小時(shí)至幾十小時(shí)，這對(duì)計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)的內(nèi)存要求很高。如果在后續(xù)同時(shí)研究整個(gè)平臺(tái)所有樁的響應(yīng)仍采用三維有限元法將需要更多的計(jì)算資源，為了減小計(jì)算資源，可采用p-y 曲線法模擬土壤對(duì)樁的作用，該理論是用一系列沿深度方向分布，剛度與樁在相對(duì)應(yīng)深度處p-y 曲線吻合的非線性彈簧模擬土壤對(duì)樁的支承作用，如圖2 所示。采用該方法和三維有限元分析法計(jì)算樁在相同側(cè)向載荷下得到樁的位移響應(yīng)基本相同，進(jìn)而可用于在后續(xù)研究中簡化模擬土壤支承作用以提高計(jì)算效率。

圖2 p-y 曲線法模擬側(cè)向承載樁原理圖Fig. 2 Diagram of the lateral loaded pile simulated by p-y curve method

自從McClelland 和 Focht[7]提出p-y 曲線法模擬樁-土相互作用，p-y 曲線法已被廣泛運(yùn)用于側(cè)向承載樁的評(píng)估中。p-y 曲線法已被美國石油學(xué)會(huì)（API）[8]和挪威勞氏船級(jí)社（DNV GL）[9]的海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)規(guī)范所采納，按照規(guī)范中的要求，樁的p-y 曲線應(yīng)通過樁的模型試驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式獲得。但規(guī)范中提供的計(jì)算py 曲線的經(jīng)驗(yàn)公式是基于小樁徑（小于3 m）均勻樁得到的，對(duì)本文的大樁徑可伸縮樁不適用。文獻(xiàn)[10 - 16]對(duì)側(cè)向承載均勻樁在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)側(cè)向載荷下的響應(yīng)進(jìn)行了研究，并與模型試驗(yàn)結(jié)果比較驗(yàn)證了有限元法在計(jì)算樁的承載力上的適用性和準(zhǔn)確性。但目前尚無針對(duì)可伸縮樁側(cè)向承載力的研究，本文通過三維有限元法計(jì)算可伸縮樁的p-y 曲線并分析其側(cè)向承載能力。

1 p-y 曲線法與三維有限元法比較

本文以一個(gè)工作海域水深為50 m 的超大型浮體為例，可伸縮樁定位裝置布置于浮體中。在Abaqus 中建立3 m 樁徑均勻樁和海床的三維有限元模型如圖3 所示，樁的插深為50 m。為模擬載荷為水面處平臺(tái)傳遞到樁上，樁比海床表面高出50 m，且在海床上方50 m 處建立參考點(diǎn)RP-1，與樁的上端建立剛體約束，模擬樁與平臺(tái)間的剛性連接。平臺(tái)傳遞到樁上的載荷通過加載在RP-1 上傳遞給樁模型。

圖3 樁和土壤的三維有限元模型Fig. 3 The 3D FE model of the pile and the soil

樁模型采用彈性本構(gòu)模型，由S4R 單元組成，采用鋼的材料屬性，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，質(zhì)量為7 840kg/m3。為減小邊界效應(yīng)的影響，土壤模型直徑為20 倍樁徑，高度為樁插深加10 倍樁徑。土壤模型采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，干重度為8.1 kN/m3，黏聚力為31.9 kPa，摩擦角為11.6°，彈性模量為5 MPa，泊松比為0.35。考慮到該加載過程是在不排水條件下完成的，設(shè)置土壤中的滲透率為1×10-6m/s，初始孔隙比為1.0，土壤孔隙流體重度為10 046 N/m3。土壤模型由C3D10 單元組成，該類型單元只有平移自由度沒有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。邊界條件設(shè)置為土壤底部限制所有平移自由度，土壤側(cè)面限制水平方向平移自由度。樁與土壤的接觸面設(shè)置為“罰”接觸，法線方向?yàn)橛步佑|，切線方向摩擦系數(shù)設(shè)置為0.25。

在三維樁-土有限元模型的參考點(diǎn)RP-1 中施加水平側(cè)向載荷進(jìn)行靜力分析，并從計(jì)算結(jié)果中提取出樁在不同深度位置處的p-y 曲線，用梁和一系列非線性彈簧模擬樁和土壤支承力，將提取到的p-y 曲線數(shù)據(jù)作為相應(yīng)彈簧的剛度，比較在相同側(cè)向載荷下三維模型樁和梁模型樁的側(cè)向位移如圖4 和表1 所示。

圖4 三維模型樁和梁模型樁側(cè)向位移比較Fig. 4 Comparison of the lateral displacement in the 3D pile model and the beam model

表1 三維模型樁與梁模型樁側(cè)向位移特征值比較Tab. 1 Comparison of the lateral displacement in the 3D pile model and the beam model

圖3 中縱坐標(biāo)0 代表海床表面，-50 m 代表樁尖位置，50 m 代表水面位置。三維模型中樁與梁模型中樁的在相同側(cè)向載荷下的側(cè)向位移符合較好，樁頂端位移差值最大不超過11%，證明p-y 曲線法具有較高的準(zhǔn)確性，可用于下文分析不同深度處的土壤側(cè)向支承力。

2 可伸縮樁與均勻樁的側(cè)向承載力比較

3-4-5-6 m 可伸縮樁實(shí)際插入土壤中只有處于下方的2 節(jié)，即樁徑分別為3 m 和4 m 的2 節(jié)，土壤對(duì)樁的支承力也是通過作用在這2 節(jié)上實(shí)現(xiàn)的。本節(jié)主要研究3-4-5-6 m 可伸縮樁與3 m 樁徑均勻樁和4 m 樁徑均勻樁的側(cè)向承載能力對(duì)比，分析可伸縮樁結(jié)構(gòu)在側(cè)向承載力方面的表現(xiàn)狀況。建立插深均為50 m 的3 m樁徑均勻樁、4 m 樁徑均勻樁和3-4-5-6 m 可伸縮樁的三維有限元模型(見圖5)，通過加載側(cè)向載荷比較其側(cè)向位移響應(yīng)和各深度處的p-y 曲線。

圖5 3 m，4 m 均勻樁和3-4-5-6 m 可伸縮樁的三維有限元模型Fig. 5 3D FE models of the 3m and 4m uniform piles and the 3-4-5-6m telescopic pile

從圖6 可以看到，在側(cè)向載荷較大（2 000 kN和4 000 kN）的2 組工況中，3-4-5-6 m 可伸縮樁的側(cè)向位移與4 m 樁徑均勻樁的側(cè)向位移非常相似；在側(cè)向載荷較大（6 000 kN 和8 000 kN）的2 組工況中，3-4-5-6 m 可伸縮樁的側(cè)向位移比4 m 樁徑均勻樁的側(cè)向位移略大。在所有4 組工況中3-4-5-6 m 可伸縮樁的側(cè)向位移均明顯小于3 m 樁徑均勻樁，所以3-4-5-6 m可伸縮樁的側(cè)向承載能力與4 m 樁徑均勻樁接近，明顯優(yōu)于3 m 樁徑均勻樁。插入土壤部分的樁中，上半部分樁的側(cè)向位移較大，而處于側(cè)向位移拐點(diǎn)之下的樁側(cè)向位移很小，拐點(diǎn)至海床表面這段樁所受到的土壤支承力對(duì)整個(gè)樁的側(cè)向承載能力貢獻(xiàn)較大，而拐點(diǎn)之下的部分樁對(duì)整個(gè)樁的側(cè)向承載能力相對(duì)較小。所以3-4-5-6 m 可伸縮樁的側(cè)向承載能力更接近于4 m 樁徑均勻樁。樁所承受的側(cè)向載荷越大，拐點(diǎn)位置越靠下，當(dāng)側(cè)向載荷大于6 000 kN 時(shí)，拐點(diǎn)位于可伸縮樁最下方一節(jié)的位置，即此時(shí)最下方一節(jié)部分參與到對(duì)側(cè)向承載能力貢獻(xiàn)較大的那一段，而其樁徑（3 m）比其上方一節(jié)樁徑（4 m）小，該部分的側(cè)向承載能力也會(huì)比較小。所以當(dāng)側(cè)向載荷大于6 000 kN（此時(shí)對(duì)應(yīng)拐點(diǎn)位于可伸縮樁最下方2 節(jié)的過渡處）時(shí)，側(cè)向載荷越大，3-4-5-6 m 可伸縮樁的側(cè)向支承能力比4 m 樁徑均勻樁小越多。

圖6 3 m，4 m 均勻樁和3-4-5-6 m 可伸縮樁的側(cè)向位移比較Fig. 6 Comparison of the lateral displacements of the 3 m and 4m uniform piles and the 3-4-5-6 m telescopic pile

圖7 3 m，4 m 均勻樁和3-4-5-6 m 可伸縮樁在不同深度處的p-y 曲線比較Fig. 7 Comparison of p-y curves in various depths of the 3 m and 4m uniform piles and the 3-4-5-6 m telescopic pile

從圖7 可以看出，在插入土壤可伸縮樁的上方一節(jié)深度范圍內(nèi)（深度0～25 m），3-4-5-6 m 可伸縮樁的p-y 曲線形狀接近于4 m 樁徑均勻樁，即在該范圍內(nèi)的側(cè)向承載力與4 m 樁徑均勻樁相似。而在下方一節(jié)深度范圍內(nèi)（深度25～50 m），3-4-5-6 m 可伸縮樁的p-y 曲線形狀接近于3 m 樁徑均勻樁，即該范圍內(nèi)的側(cè)向承載力與3 m 樁徑均勻樁相似。這也為上文關(guān)于可伸縮樁側(cè)向承載能力分析的猜測提供了佐證。

3 可伸縮樁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

為分析可伸縮樁在實(shí)際工作當(dāng)中受到往復(fù)變化波浪載荷下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，在有限元分析中加載波浪時(shí)歷載荷。本文中可伸縮樁以安裝于50 m 水域超大型浮體為例，如圖8 和表2 所示，相應(yīng)的波浪載荷通過縮尺比為1∶ 100 的模型實(shí)驗(yàn)測量獲得，模型實(shí)驗(yàn)在上海交通大學(xué)國家海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。由于樁的定位精度高，采用樁定位的平臺(tái)在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小，實(shí)驗(yàn)中將平臺(tái)設(shè)置為固定狀態(tài)，分別試驗(yàn)超大型浮體在工作海況和生存海況所受到的波浪載荷。通過平臺(tái)工作海域的觀測統(tǒng)計(jì)，工作海況和生存海況中的波浪分別用有義波高3 m、譜峰周期7.48 s 和有義波高5 m、譜峰周期9.66 s 的Jonswap 譜模擬。在工作海況和生存海況下，由浮體平均傳遞到每個(gè)可伸縮樁腿上的水平波浪載荷如圖9 和圖10 所示。

圖8 安裝可伸縮樁腿的超大型浮體示意圖Fig. 8 Very large floating structure (VLFS) installed withtelescopic piles

表2 超大型浮體的主要參數(shù)Tab. 2 Basic parameters of the VLFS

圖9 工作海況水平波浪載荷時(shí)歷曲線Fig. 9 Horizontal wave load in the operational condition

圖10 生存海況水平波浪載荷時(shí)歷曲線Fig. 10 Horizontal wave load in the survival condition

圖11 工作海況下樁的水平運(yùn)動(dòng)時(shí)歷響應(yīng)Fig. 11 Horizontal motion response of the pile in the operational condition

圖12 生存海況下樁的水平運(yùn)動(dòng)時(shí)歷響應(yīng)Fig. 12 Horizontal motion response of the pile in the survival condition

表3 樁動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值Tab. 3 Statics of the pile motion response

通過Abaqus/Standard 的Implicit dynamic 分析，計(jì)算樁在工作海況和生存海況的波浪載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。分別提取工作海況和生存海況下，位于水面高度與樁連接的參考點(diǎn)RP-1 和樁在海床表面高度處節(jié)點(diǎn)的水平時(shí)歷響應(yīng)，如圖11 和圖12 所示，位移響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值如表3 所示。從圖中可以看出樁在水平位移處的位移響應(yīng)比參考點(diǎn)的位移響應(yīng)小得多，大約是其1/5。即在波浪載荷作用下，插在土壤中樁的位移響應(yīng)較小，但樁高于海床表面的長度較長（50 m），由于插于土壤中的樁發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和處于海水的部分樁發(fā)生彎曲導(dǎo)致參考點(diǎn)的水平位移遠(yuǎn)大于樁在海床表面位置處的水平響應(yīng)。參考點(diǎn)代表了平臺(tái)與樁的連接處，所以參考點(diǎn)的位移響應(yīng)與平臺(tái)的位移響應(yīng)相似。工作海況下，樁在海床表面位置處的最大水平位移僅為0.23 m，不致引起土壤過大變形致使樁承載力下降，參考點(diǎn)的最大水平位移為1.2 m，定位精度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的錨泊定位裝置，可滿足對(duì)定位精度要求較高平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。生存海況下，樁在海床表面位置處的最大水平位移為0.35 m，參考點(diǎn)的最大水平位移為1.78 m，由于生存海況下平臺(tái)會(huì)停止工作，只需保證平臺(tái)的安全，該運(yùn)動(dòng)響應(yīng)一般也符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本文提出了一種適用于淺水域平臺(tái)的新型定位裝置，采用可伸縮樁進(jìn)行定位?；谟邢拊?，通過商業(yè)軟件Abaqus 對(duì)可伸縮樁的側(cè)向承載力進(jìn)行分析。以3 m 樁徑均勻樁為例，比較了p-y 曲線法和三維有限元法對(duì)樁側(cè)向承載力的分析結(jié)果，驗(yàn)證了p-y 曲線法的精確性。在此基礎(chǔ)上用p-y 曲線比較分析了3 m，4 m樁徑均勻樁和3-4-5-6 m 可伸縮樁在不同深度處的土壤支承力大小。通過比較相同側(cè)向載荷下3 種樁的側(cè)向位移曲線，發(fā)現(xiàn)樁位移曲線拐點(diǎn)以上部分樁型對(duì)樁的側(cè)向承載能力的影響比拐點(diǎn)以下部分樁型更大，3-4-5-6 m可伸縮樁的側(cè)向承載能力接近于4 m 樁徑均勻樁。以可伸縮樁裝置布置于超大型浮體為例，通過模型試驗(yàn)獲得工作海況和生存海況下樁所承載的波浪時(shí)歷載荷，計(jì)算得到樁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。結(jié)果顯示可伸縮樁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較小符合工作和安全要求。可伸縮樁具有較好的側(cè)向承載能力，該定位裝置值得進(jìn)一步研究以考慮應(yīng)用到實(shí)際工程中。