郭 東，王建華，范怡飛

(1. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072； 2. 天津大學(xué) 巖土工程研究所，天津 300072)

鉆井船廣泛用于海洋能源開(kāi)發(fā)工程。當(dāng)鉆井船作業(yè)時(shí)，需要將大直徑樁靴插入海床為其作業(yè)提供承載力。當(dāng)樁靴貫入海床時(shí)，被排開(kāi)的土體向鄰近平臺(tái)樁運(yùn)動(dòng)，使鄰近樁身受到擠土荷載作用。這種擠土荷載可能會(huì)嚴(yán)重影響平臺(tái)樁的承載能力。因此客觀評(píng)價(jià)樁靴貫入土層時(shí)對(duì)鄰近平臺(tái)樁的影響是保證鉆井船與鄰近平臺(tái)安全的必要前提。

Beer[1]按照樁身受荷條件不同將樁分為兩類(lèi)：當(dāng)樁頭承受荷載并通過(guò)樁身向土中傳遞應(yīng)力時(shí)，稱(chēng)為主動(dòng)樁；當(dāng)樁周土體運(yùn)動(dòng)而使樁身被動(dòng)承受由于土體運(yùn)動(dòng)傳來(lái)的土壓力時(shí)，稱(chēng)為被動(dòng)樁。鉆井船插樁時(shí)，鄰近平臺(tái)樁在承受樁頭荷載的同時(shí)，還將承受鉆井船插樁導(dǎo)致的土體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的樁身擠土荷載。因此，這是一個(gè)主動(dòng)傳力與被動(dòng)受力的樁。為了對(duì)鉆井船插樁時(shí)鄰近平臺(tái)樁被動(dòng)受力變化規(guī)律有一個(gè)定量認(rèn)識(shí)，需要對(duì)插樁導(dǎo)致的樁身擠土荷載變化規(guī)律進(jìn)行研究。

許多學(xué)者對(duì)砂土中樁身承受擠土荷載的作用進(jìn)行過(guò)研究。Bransby[2]分析被動(dòng)樁受力時(shí)，認(rèn)為樁身受到的擠土力取決于樁土之間相對(duì)位移。Guo等[3-6]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了土體水平運(yùn)動(dòng)時(shí)被動(dòng)樁的受力情況，結(jié)果表明，隨樁土相對(duì)位移的不斷增加，樁側(cè)受到的土壓力不斷增大直到極限。周健等[7]采用模型試驗(yàn)和顆粒流數(shù)值方法進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，被動(dòng)樁樁前、樁后土壓力和土壓力合力均隨土體位移增大而增大。雷文杰等[8]采用模型試驗(yàn)、葉海林等[9]采用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)、朱寶龍等[10]采用離心模型試驗(yàn)分別研究了滑坡過(guò)程中被動(dòng)樁受力情況，試驗(yàn)結(jié)果均表明樁身受到的土壓力隨著土體位移增大而增大。黃雪峰等[11]的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)結(jié)果也表明，在土體開(kāi)挖過(guò)程中，被動(dòng)樁樁身受到的擠土壓力隨土體位移增加而不斷增大。

以往對(duì)于砂土層中樁身被動(dòng)受力變化規(guī)律的研究主要針對(duì)邊坡、土體開(kāi)挖情況下的支護(hù)樁。研究所得的樁身擠土壓力變化規(guī)律能否描述大直徑鉆井船樁靴貫入砂土層時(shí)，土體的極大變形導(dǎo)致鄰近樁樁身擠土壓力的變化還有待進(jìn)一步研究。對(duì)于樁靴貫入土層時(shí)引起鄰近樁樁身擠土壓力的研究較少，Xie[12]采用離心模型試驗(yàn)測(cè)量分析了樁靴貫入黏土層時(shí)，鄰近樁靠近樁靴一側(cè)和遠(yuǎn)離樁靴一側(cè)樁身受到的擠土壓力隨樁靴貫入深度的變化，而對(duì)于樁靴貫入砂土層時(shí)鄰近樁樁身擠土壓力的研究甚少。

綜上所述，有必要對(duì)樁靴貫入砂土層時(shí)鄰近平臺(tái)樁身受到的插樁擠土壓力變化規(guī)律做進(jìn)一步研究。為此，本文采用縮尺試驗(yàn)結(jié)合CEL有限元數(shù)值仿真分析方法研究樁靴貫入砂土層時(shí)，鄰近樁樁身受到的插樁擠土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化規(guī)律，且定量闡明砂土摩擦角、砂土彈性模量、砂土泊松比和樁靴邊緣與鄰近樁邊緣之間距離(以下稱(chēng)為凈間距)的變化對(duì)插樁擠土力變化關(guān)系的影響。

1 縮尺試驗(yàn)的CEL方法分析

如前所述，鉆井船插樁對(duì)鄰近平臺(tái)樁影響的數(shù)值仿真分析是極大變形土體與結(jié)構(gòu)相互作用的嚴(yán)重非線性問(wèn)題。目前，分析土體非線性大變形的數(shù)值仿真分析方法主要有歐拉-拉格朗日耦合有限元分析方法(CEL方法)、任意拉格朗日-歐拉有限元分析法(ALE方法)和顆粒流分析方法(PFC方法)等。本次分析采用CEL方法分析鉆井船插樁時(shí)鄰近平臺(tái)樁身受到的擠土壓力變化。首先對(duì)縮尺試驗(yàn)的數(shù)值進(jìn)行仿真分析，以說(shuō)明CEL方法在解決該問(wèn)題上的可行性。

1.1 縮尺試驗(yàn)

圖1 縮尺模型布置(單位：cm)

縮尺試驗(yàn)系統(tǒng)包括模型試驗(yàn)箱、樁靴及貫入裝置、鄰近單樁、測(cè)量傳感器、數(shù)據(jù)采集及樁靴貫入加載控制系統(tǒng)?？s尺試驗(yàn)箱為圓型，直徑1.2 m，高1.2 m(圖1)；樁靴模型參照我國(guó)海洋941鉆井船樁靴實(shí)際尺寸，按1∶100比例加工，樁靴直徑D=180 mm?？s尺試驗(yàn)砂土為飽和重塑粉質(zhì)細(xì)砂，采用分層壓實(shí)與水頭飽和方法制備模型試驗(yàn)土層，試驗(yàn)土層厚0.9 m，壓實(shí)后利用低水頭飽和法得到飽和砂土。通過(guò)三軸固結(jié)排水試驗(yàn)測(cè)量土層的強(qiáng)度參數(shù)，其內(nèi)摩擦角為31°。鄰近樁為鋁合金方管，邊長(zhǎng)0.012 m，壁厚0.001 m，長(zhǎng)1.2 m，截面慣性矩I=895 mm4，材料屈服強(qiáng)度170 MPa，彈性模量70 GPa；使用應(yīng)變式土壓力傳感器測(cè)量插樁過(guò)程中樁身所受的土壓力。沿樁長(zhǎng)在近樁靴面與遠(yuǎn)離樁靴面各布置5個(gè)土壓力傳感器，分別測(cè)量樁身受到的靠近樁靴側(cè)的土壓力和遠(yuǎn)離樁靴側(cè)的土壓力。傳感器直徑12 mm，厚5 mm，量程50 kPa，測(cè)量位置為：泥面以下0.05，0.25，0.45，0.65和0.85 m。

樁靴位于土層水平方向中心位置；鄰近樁與樁靴之間的凈間距為45 mm(0.25D)；樁靴最大直徑貫入深度為0.4 m(2.22D)，樁靴貫入速率為0.1 mm/s；在樁頭位置(距離泥面 0.29 m)增設(shè)彈簧將樁頭固定，樁頭受水平荷載34 N與豎向荷載30 N作用。

1.2 數(shù)值分析模型

鉆井船插樁對(duì)鄰近平臺(tái)樁影響的數(shù)值仿真分析是極大變形土體與結(jié)構(gòu)相互作用的嚴(yán)重非線性問(wèn)題。采用CEL方法分析鉆井船插樁時(shí)鄰近平臺(tái)樁身受到的擠土壓力變化。為此，首先通過(guò)對(duì)縮尺試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，說(shuō)明CEL方法在解決這一問(wèn)題上的可行性。

圖2 CEL有限元模型

Tho等[13]的研究表明，在分析樁靴貫入土層影響鄰近樁時(shí)，可以不考慮鄰近樁對(duì)有限元計(jì)算模型對(duì)稱(chēng)性的影響。取計(jì)算范圍的四分之一進(jìn)行有限元建模，并把鄰近樁設(shè)置在四分之一模型的45°方向上(見(jiàn)圖2)。參照縮尺試驗(yàn)建立CEL計(jì)算模型，該模型的豎直方向?yàn)?.6 m，水平方向?yàn)?.6 m。泥面以上0.6 m范圍內(nèi)為CEL空穴單元，泥面以下1 m范圍內(nèi)為土單元。泥面以上的空穴單元是為模擬樁靴貫入土層時(shí)表層土體的隆起與回淤現(xiàn)象。參照文獻(xiàn)[14]，從泥面到最大插樁深度以下0.5D范圍內(nèi)的土體單元為歐拉單元，以下為拉格朗日單元。采用六面體單元?jiǎng)澐挚昭ㄅc土體。為了減小計(jì)算結(jié)果的振蕩，參照文獻(xiàn)[15]的建議，沿水平方向，在距樁靴中心15.0 m半徑范圍內(nèi)的土體單元，網(wǎng)格尺寸取0.05D，即9 mm；對(duì)于15.0～27.5 m半徑范圍內(nèi)的土體單元，網(wǎng)格尺寸取0.1D，即18 mm；沿豎直方向，網(wǎng)格尺寸均取0.1D，即18 mm。

采用四面體拉格朗日單元?jiǎng)澐謽堆?。由于樁靴剛度遠(yuǎn)大于土體剛度，計(jì)算中將樁靴設(shè)為剛體。縮尺試驗(yàn)中樁為鋁管樁，由于CEL方法采用顯示算法求解，為了提高計(jì)算效率，將鄰近樁設(shè)置為實(shí)體樁，采用六面體拉格朗日單元?jiǎng)澐粥徑鼧?。按模型試?yàn)鋼管樁的抗彎剛度確定實(shí)體樁的彈性模量。

對(duì)于砂土，有效重度取8.5 kN/m3，采用滿(mǎn)足Mohr-Coulomb屈服條件的理想彈塑性模型描述砂土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。砂土層內(nèi)摩擦角取31°，彈性模量取4.5倍的CPT試驗(yàn)測(cè)量的錐尖阻力(qc=0.19 MPa)，泊松比取0.3。

對(duì)于鄰近樁，按廣義虎克定律確定其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并依據(jù)鋼管樁抗彎剛度，由式(1)確定實(shí)體樁的等效彈性模量，結(jié)果為36 GPa，泊松比取0.33。

E2=E1I1/I2

(1)

式中：E1，E2分別為鋼管樁和等效實(shí)體樁的彈性模量；I1，I2分別為鋼管樁和等效實(shí)體樁的慣性矩。

計(jì)算模型中的接觸條件設(shè)置如下：(1) 歐拉土單元與拉格朗日土單元之間采用廣義接觸條件(General Contact)，并采用罰函數(shù)的接觸算法。按庫(kù)倫摩擦設(shè)置切向接觸參數(shù)，摩擦系數(shù)取0.5。(2) 樁靴與土層之間采用廣義接觸條件。沿切向按庫(kù)倫摩擦關(guān)系設(shè)置接觸參數(shù)，摩擦系數(shù)按SNAME規(guī)范[16]建議，取0.5；沿接觸面法向?yàn)樵试S分離。(3) 拉格朗日樁單元與歐拉土單元之間采用廣義接觸。按庫(kù)倫摩擦設(shè)置切向接觸參數(shù)，摩擦系數(shù)取0.5；法向允許分離。(4) 拉格朗日樁單元與拉格朗日土單元之間接觸采用面-面接觸，將剛度大的樁單元面設(shè)為主面，土單元面設(shè)為從面。按庫(kù)倫摩擦設(shè)置切向接觸參數(shù)，摩擦系數(shù)取0.5；法向允許分離。

計(jì)算模型的邊界條件設(shè)置如下：(1) 對(duì)于歐拉土單元和空穴單元，將其外邊界與對(duì)稱(chēng)邊界的水平速度設(shè)置為0，并將外邊界設(shè)置為歐拉吸收邊界。(2) 對(duì)于拉格朗日土單元，將其外邊界與對(duì)稱(chēng)邊界的水平方向位移設(shè)置為0，底部邊界的豎向位移設(shè)置為0。(3) 依據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)條件，在鄰近樁樁頭位置設(shè)置彈簧固定樁頭，根據(jù)樁頭加荷條件不同，在樁頭分別施加34 N的水平荷載、34 N水平與30 N豎向荷載。

CEL方法采用顯示算法求解，顯示算法是一種動(dòng)態(tài)求解過(guò)程，而鉆井樁在插樁時(shí)是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的過(guò)程，為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需通過(guò)緩慢加載來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用不同樁靴貫入速率計(jì)算樁靴貫入阻力和插樁擠土壓力，結(jié)果表明，當(dāng)計(jì)算中的樁靴貫入速率取0.3 m/s時(shí)，模擬的插樁過(guò)程可以看作一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。因此，計(jì)算中樁靴貫入速率取0.3 m/s。

1.3 確定樁身土壓力的方法

首先介紹依據(jù)計(jì)算結(jié)果確定土壓力的方法。對(duì)于泥面以下樁身某一位置處的土壓力可用式(2)計(jì)算。

P=∑F/(d×h)

(2)

式中：∑F為與該位置有關(guān)的各單元節(jié)點(diǎn)上指向樁靴方向與背離樁靴方向的接觸力之和；d為鄰近樁樁徑；h為單元邊長(zhǎng)；d×h為各節(jié)點(diǎn)接觸力之和作用的面積。

1.4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

圖3(a)給出了縮尺試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的近樁靴面插樁擠土壓力隨樁靴貫入的變化規(guī)律。從圖3中可以看出：土面下0.28D埋深處擠土壓力隨著樁靴貫入而增加，當(dāng)樁靴貫入0.28D左右時(shí)，擠土壓力達(dá)到最大，隨后擠土壓力逐漸減??；1.39D埋深處擠土壓力與0.28D埋深處擠土壓力變化相似，但最大擠土壓力出現(xiàn)較早，當(dāng)樁靴貫入0.90D時(shí)出現(xiàn)最大擠土壓力；2.50D埋深處擠土壓力變化規(guī)律與1.39D埋深處擠土壓力變化規(guī)律相似，當(dāng)樁靴貫入2.00D時(shí)出現(xiàn)最大擠土壓力；3.61D埋深處擠土壓力在樁靴貫入較淺時(shí)基本不變，當(dāng)樁靴貫入到某一深度后隨著樁靴貫入不斷增大?？梢钥闯觯瑢?duì)鄰近樁某一埋深處而言，近樁靴面受到的擠土壓力在貫入深度達(dá)到該位置之前隨著樁靴貫入而不斷變大，當(dāng)貫入深度超過(guò)該位置時(shí)，擠土壓力逐漸減小。

圖3(b)揭示了縮尺試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的遠(yuǎn)樁靴面插樁擠土壓力隨樁靴貫入的變化規(guī)律。0.28D埋深處擠土壓力在樁靴剛貫入土體時(shí)減小，當(dāng)樁靴貫入到該位置以下，土體產(chǎn)生回淤，擠土壓力增大至極限；1.39D埋深處鄰近樁樁身在樁靴貫入0.30D之前向背離樁靴一側(cè)移動(dòng)，而此時(shí)土體位移較小，因此擠土壓力先增加，之后隨著樁靴貫入，1.39D埋深處土體位移增大，擠土壓力逐漸減小。當(dāng)樁靴貫入到該位置以下時(shí)，土體產(chǎn)生回淤，擠土壓力逐漸增大；2.50D埋深處擠土壓力變化與1.39D埋深處較為相似，當(dāng)樁靴貫入1.10D時(shí)達(dá)到最大，隨后逐漸減??；3.61D處擠土壓力隨樁靴貫入而不斷增大?？梢钥闯?，對(duì)鄰近樁某一埋深處而言，遠(yuǎn)樁靴面受到的擠土壓力先隨著樁靴貫入不斷增長(zhǎng)，當(dāng)樁靴貫入到達(dá)該位置以上1.00D處時(shí)，該位置處土體開(kāi)始向遠(yuǎn)離樁靴方向移動(dòng)，擠土壓力開(kāi)始不斷減小，當(dāng)樁靴貫入到該位置以下時(shí)，擠土壓力由于土體回淤而逐漸增大。

從圖3可以看出，按上述方法計(jì)算出的近樁靴面和遠(yuǎn)樁靴面的樁身擠土壓力變化與縮尺試驗(yàn)結(jié)果基本一致，但1.39D埋深處遠(yuǎn)樁靴面擠土壓力試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果有誤差，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有所區(qū)別。因此，可以使用CEL方法定量分析插樁時(shí)鄰近樁樁身受到的擠土壓力的變化規(guī)律。

圖3 擠土壓力隨樁靴貫入的變化

2 足尺試驗(yàn)CEL分析

Kim等[17]在砂土中進(jìn)行的小直徑水平受荷樁模型試驗(yàn)表明，小尺寸樁徑樁身受到的土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化與足尺樁存在較大差異。因此，本文建立足尺試驗(yàn)CEL數(shù)值模型進(jìn)而研究足尺樁樁身土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化。

圖4 CEL有限元模型

足尺試驗(yàn)CEL數(shù)值模型參照文獻(xiàn)[12]建立。CEL數(shù)值模型豎直方向?yàn)?5 m，水平方向?yàn)?5 m。泥面以上5 m范圍內(nèi)為CEL空穴單元，泥面以下40 m范圍內(nèi)為砂土單元；樁靴直徑D=12 m，鄰近樁直徑d=1.26 m，樁長(zhǎng)L=31 m，鄰近樁與樁靴之間的凈間距為1.2 m(0.1D)；樁靴最大直徑貫入深度為15 m(1.25D)(見(jiàn)圖4)。

從泥面到最大插樁深度以下0.5D范圍內(nèi)的土體單元為歐拉單元，以下為拉格朗日單元。采用六面體單元?jiǎng)澐挚昭ㄅc土體。為了減小計(jì)算結(jié)果的振蕩，沿水平方向，在距樁靴中心15.0 m半徑范圍內(nèi)的土體單元，網(wǎng)格尺寸取0.05D，即0.6 m；對(duì)于15.0～27.5 m半徑范圍內(nèi)的土體單元，網(wǎng)格尺寸取0.1D，即1.2 m；沿豎直方向，網(wǎng)格尺寸均取0.082D，即1.0 m。

對(duì)于砂土，有效重度取9 kN/m3，砂土層內(nèi)摩擦角取30°，彈性模量取35 MPa，泊松比取0.35；對(duì)于鄰近樁，彈性模量取46 GPa，泊松比取0.25。

2.1 確定插樁導(dǎo)致的土體位移方法

CEL的計(jì)算結(jié)果只給出當(dāng)前材料點(diǎn)的速度，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)后處理程序，才能求解土體絕對(duì)位移。因此參考文獻(xiàn)[18-19]建議的方法確定樁靴貫入土層時(shí)的土體位移，然后根據(jù)插樁過(guò)程中的樁身位移得出樁土相對(duì)位移。

2.2 近樁靴面、遠(yuǎn)樁靴面插樁擠土壓力變化

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，圖5(a)揭示了近樁靴面受到的插樁擠土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化規(guī)律。圖中結(jié)果表明，在樁靴貫入之前，樁身土壓力等于靜止土壓力。隨著樁靴貫入，樁土相對(duì)位移增加，樁身受到的插樁擠土壓力也不斷增加，當(dāng)樁土相對(duì)位移達(dá)到0.2d(d為鄰近樁的樁徑)時(shí)，擠土壓力達(dá)到最大。在泥面以下10d范圍內(nèi)，最大擠土壓力隨土層深度逐漸增加，其變化范圍為(1.5～5.0)Kpγ′z(Kp為朗肯被動(dòng)土壓力系數(shù))。當(dāng)土層深度超過(guò)10d后，最大擠土壓力逐漸趨于穩(wěn)定，約為5.0Kpγ′z。

圖5(b)為遠(yuǎn)樁靴面受到的插樁擠土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化?？梢?jiàn)，在樁靴貫入之前，樁身土壓力等于靜止土壓力;隨著樁靴貫入，樁土相對(duì)位移增加，樁身受到的擠土壓力不斷減??；當(dāng)樁土相對(duì)位移達(dá)到0.2d時(shí)，擠土壓力最小。此外，最小擠土壓力隨土層深度逐漸增加，其變化范圍為(0.1～0.2)Kpγ′z。

圖5 擠土壓力隨相對(duì)位移變化

2.3 插樁擠土壓力合力變化

依據(jù)圖5的結(jié)果，圖6給出了樁身受到的插樁擠土壓力合力隨樁土相對(duì)位移的變化。由圖6可見(jiàn)，樁靴貫入砂土層時(shí)，鄰近樁樁身受到的插樁擠土壓力合力隨相對(duì)位移增大而增大，當(dāng)樁土相對(duì)位移達(dá)到0.2d時(shí)，合力達(dá)到最大。圖7為插樁擠土壓力合力極限值沿樁身分布，在泥面以下10d范圍內(nèi)，極限擠土壓力合力隨土層深度逐漸增加，其變化范圍為(1.5～5.0)Kpγ′z。當(dāng)土層深度超過(guò)10d后，極限擠土壓力合力逐漸趨于穩(wěn)定，約為5.0Kpγ′z。

圖6 擠土壓力合力隨相對(duì)位移變化

圖7 極限擠土壓力合力沿樁身分布

2.4 主動(dòng)樁與被動(dòng)樁樁身受力比較

按API規(guī)范[20]確定主動(dòng)樁樁身受到的土層抗力p隨樁土相對(duì)位移y的變化(p-y關(guān)系)，進(jìn)而與圖6中CEL方法計(jì)算的p-y關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖8。從圖8可以看出，對(duì)于樁身不同埋深處，主動(dòng)樁極限土壓力均較樁靴貫入土層時(shí)導(dǎo)致的樁身極限擠土壓力大。

為進(jìn)一步說(shuō)明上述分析的合理性，利用CEL方法分析樁頭受水平荷載時(shí)，主動(dòng)樁樁身土壓力的變化，結(jié)果見(jiàn)圖9。圖9表明，計(jì)算結(jié)果與按API規(guī)范確定的結(jié)果基本一致。

圖8 主動(dòng)樁與被動(dòng)樁對(duì)比

圖9 主動(dòng)樁p-y曲線

3 基于足尺試驗(yàn)參數(shù)影響分析

3.1 凈間距影響

采用圖4中的CEL有限元分析模型，將凈間距取為0.25D和0.50D進(jìn)行計(jì)算，圖10表明了不同凈間距時(shí)，樁身受到插樁擠土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化。由圖10可見(jiàn)，凈間距增加時(shí)，近樁靴面與遠(yuǎn)樁靴面的擠土壓力、擠土壓力合力隨樁土相對(duì)位移增加的變化關(guān)系與凈間距為0.10D時(shí)的計(jì)算結(jié)果吻合。因此，樁靴貫入土層時(shí)，鄰近樁樁身受到的擠土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化關(guān)系是唯一的。

圖10 不同凈間距時(shí)擠土壓力變化規(guī)律

3.2 摩擦角影響

采用圖4中的CEL有限元分析模型，將砂土內(nèi)摩擦角取為25°和35°再進(jìn)行計(jì)算。圖11表明了不同內(nèi)摩擦角時(shí)，樁身受到的擠土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化規(guī)律。由圖11可見(jiàn)，砂土內(nèi)摩擦角改變時(shí)，樁身受到的擠土壓力合力隨樁土相對(duì)位移的變化關(guān)系并未改變。因此，插樁擠土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化關(guān)系與砂土內(nèi)摩擦角無(wú)關(guān)。

圖11 不同內(nèi)摩擦角時(shí)擠土壓力合力變化規(guī)律

3.3 砂土泊松比影響

采用圖4中的CEL有限元分析模型，將砂土泊松比取為0.25，0.30和0.40再進(jìn)行計(jì)算。圖12揭示了不同泊松比時(shí)，樁身受到的擠土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化規(guī)律。由圖12可見(jiàn)，砂土泊松比改變時(shí)，樁身受到的擠土壓力合力隨樁土相對(duì)位移的變化關(guān)系并未改變。因此，插樁擠土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化關(guān)系與砂土泊松比無(wú)關(guān)。

圖12 不同泊松比時(shí)擠土壓力合力變化規(guī)律

3.4 砂土彈性模量影響

Qiu等[21]分析樁靴貫入砂土層時(shí)，認(rèn)為海洋中砂土彈性模量為10～50 MPa。采用圖4中的CEL有限元分析模型，將砂土層彈性模量設(shè)為10和50 MPa再進(jìn)行計(jì)算。圖13揭示了不同彈性模量時(shí)樁身受到的擠土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化規(guī)律。從圖13可見(jiàn)，不同彈性模量的砂土層，極限擠土壓力值基本一致；但不同彈性模量的砂土層，達(dá)到極限擠土壓力所需的樁土相對(duì)位移不同；當(dāng)砂土彈性模量從10 MPa增加到50 MPa時(shí)，達(dá)到極限擠土壓力所需的相對(duì)位移從0.3d(d為鄰近樁直徑)減小到0.1d。

圖13 不同彈性模量砂土擠土壓力合力變化規(guī)律

4 結(jié) 語(yǔ)

利用縮尺試驗(yàn)結(jié)合CEL數(shù)值仿真分析方法分析了鉆井船樁靴貫入砂土層時(shí)，鄰近樁受到的擠土壓力的變化，得到以下結(jié)論：

(1) 可用CEL方法定量分析樁靴貫入砂土層時(shí)，鄰近樁樁身受到的擠土壓力變化。

(2) 樁靴貫入砂土層時(shí)，鄰近樁近樁靴面受到的擠土壓力隨樁土相對(duì)位移增加而不斷增大直到極限。泥面以下10d范圍內(nèi)，最大擠土壓力隨土層埋深逐漸增加，其變化范圍為(1.5～5.0)Kpγ′z；當(dāng)土層埋深大于10d時(shí)，樁身最大擠土壓力為5.0Kpγ′z。

(3) 樁靴貫入砂土層時(shí)，遠(yuǎn)樁靴面受到的擠土壓力隨樁土相對(duì)位移增加而不斷減小直到極限。最小擠土壓力隨土層深度逐漸增加，其變化范圍為(0.1～0.2)Kpγ′z。

(4) 樁靴貫入砂土層時(shí)，樁身受到的擠土壓力合力隨樁土相對(duì)位移增加而不斷增大直到極限。泥面以下10d范圍內(nèi)，樁身極限擠土壓力合力隨土層深度逐漸增加，其變化范圍為(1.5～5.0)Kpγ′z；當(dāng)土層埋深大于10d時(shí)，極限擠土壓力合力為5.0Kpγ′z，這比主動(dòng)樁極限土壓力略小。

(5) 改變樁靴貫入砂土層時(shí)的凈間距、砂土內(nèi)摩擦角和泊松比時(shí)，插樁擠土力隨樁土相對(duì)位移的變化關(guān)系并不會(huì)發(fā)生改變，鄰近樁樁身受到的擠土壓力隨樁土相對(duì)位移的變化關(guān)系是唯一的；砂土彈性模量對(duì)極限擠土壓力值無(wú)影響，當(dāng)砂土彈性模量從10 MPa增加到50 MPa時(shí)，達(dá)到極限擠土壓力所需的相對(duì)位移從0.3d減小到0.1d。