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海洋工程樁基沉樁基過程中，施工環(huán)境復雜惡劣，水平向的海流、波浪、大風等作用的存在，使得沉樁過程中出現(xiàn)傾斜偏位等質量事故；此外，在沉樁施工置錘瞬態(tài)過程，使用的打樁錘質量大、能量高，又使得樁基易出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)的安全事故。因而準確預測樁基的自沉深度、傾斜度及穩(wěn)定性等安全施工的關鍵所在。

本文依托我國南海某海洋平臺工程，考慮現(xiàn)場地質條件、工況組合，采用CEL法建立海洋軟土中樁基動力沉樁過程的數(shù)值模型，分析樁基在自重、錘重載荷與水流力載荷下自沉深度、傾斜度及穩(wěn)定性，為該工程的設計與施工提供一定的指導意見。

1.工程概況及動力沉樁技術要求

1.1 工程概況

某海洋平臺位于南海，采用鋼管樁作為基礎結構，樁基基本規(guī)格如表1所示。該海域地質情況如表2，平均水深20m，平均水流速度：0.5m/s。

1.2 動力沉樁技術要求

海洋樁基平臺動力沉樁問題是一個涉及動力學、結構力學、土力學等多學科領域的綜合、復雜、系統(tǒng)的研究課題。本文研究過程中考慮沉樁施工流程以及施工控制指標。為確保沉樁安全，合理預估施工控制參數(shù)，本文主要從以下幾方面展開分析：樁基的自沉深度分析計算與穩(wěn)定性分析、樁基在錘重載荷下的下沉深度與穩(wěn)定性分析計算、計算分析錘入10m進尺期間的穩(wěn)定性。

表1 樁基基本參數(shù)

表2 天然地基設計參數(shù)表

樁基滿足最小穩(wěn)定性要求：樁基不發(fā)生屈曲破壞，最終傾角≤1.25°。

1.3 CEL法技術模擬樁土作用

CEL法是ABAQUS中分析流固耦合的關鍵技術，它吸取了拉格朗日網格與歐拉網格的優(yōu)點，有效的解決了有關大變形和材料破壞的等諸多問題。

目前，CEL方法已經被廣泛應用于分析巖土工程中土-結構耦合作用的大變形問題。肖正龍基于CEL方法模擬了靜壓法沉樁的全過程；Chen等利用CEL大變形有限元計算技術，在均質黏土中，系統(tǒng)考察了土體密度、楊氏模量對方形錨板極限承載力的影響；霍知亮等采用CEL法對黏土中的海底管線與土體之間的大變形問題進行了模擬研究等?？梢?，CEL法在模擬樁基下沉貫入分析時計算結果的準確性具有一定的優(yōu)勢。

2.數(shù)值分析模型

2.1 模型建立

本文所建立的有限元模型主要包括：樁體和土體兩部分。建立土體模型時，考慮到土體的邊界效應，同時參考相關已有文獻，土體的直徑取樁徑的10倍尺寸即：4.5m，土體深度方向尺寸?。?5.8m，土體的材料模型選用：摩爾庫倫本構模型。

單元劃分時，對本文所建立的有限元模型：樁體和土體兩部分，進行獨立劃分，樁體采用C3D8r單元來模擬，土體采用歐拉單元EC3D8r來模擬。不同組件的單元劃分情況如表3所示，樁體單元和土體單元如圖1所示。

設置分析載荷步時，選用顯示動力分析載荷步，樁體與土體之間采用“面面接觸”來實現(xiàn)它們之間的相互作用。

2.2 樁基自沉深度計算

在進行樁基自沉深度計算時，土體的邊界條件為：約束土體側面的經向自由度，約束土體底面的所有自由度，加載條件為：對樁體施加自重荷載。

經計算，樁體在自重荷載作用下，在土體中發(fā)生下沉：下沉速度隨時間的增加逐漸增大，當t=8s時，樁體下沉速度達最大，最大速度v=1m/s，由于樁體受到土體的摩阻力作用，當t=8s之后，樁體下沉速度隨時間的增加而逐漸減小，當t=16s時，樁體下沉速度達v=0.01m/s，當t=20s時，樁體下沉速度幾乎為零；樁體的豎向位移隨時間的增加逐漸增大，t=0～8s之間時，位移增加的幅度隨時間的增加逐漸增大，t=8～16s之間時，位移增加的幅度隨時間的增加而逐漸減小，t=16～20s之間時，樁體的豎向位移幾乎達到一恒定值保持不變，可見，此時樁體已下沉穩(wěn)定。

由圖2可知，樁體在自重載荷下，最終沉降量為：10.67m。

2.3 樁體在錘重和水流荷載作用下的穩(wěn)定性計算

在樁體自沉穩(wěn)定計算的基礎之上，進行樁體在錘重和水流荷載作用下的穩(wěn)定性計算，土體的邊界條件為：約束土體側面的經向自由度，約束土體底面的所有自由度，加載條件為：對樁體施加自重荷載，在樁頂施加60T重的錘重荷載和水流荷載。

對于水流荷載，水流荷載是鋼管樁承受的環(huán)境荷載之一，采用《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）的規(guī)范進行水流荷載的計算，計算公式如下：

上式中：FW是水流力標準值；CW是水流阻力系數(shù)，取值1.0；ρ是水密度，海水取值1025kg/m3；V是水流設計流速，本計算海域情況取值0.5m/s；A是計算構件在與流向垂直平面上的投影面積。

本文中的模型在進行計算時，將水流荷載作用在樁體的側表面，按均布面荷載考慮。

計算結果：樁體在錘重和水流荷載作用下，樁體頂端的最大水平側移量為：0.406m（樁體的水平位移云圖如圖3所示），此時的傾斜角為：0.392°〈1.25°。故在傾斜穩(wěn)定性方面滿足技術要求。

2.4 樁體在錘擊荷載下進尺10m時的穩(wěn)定性計算

樁體在錘擊荷載下進尺10m時，進行樁體在錘重和水流荷載作用下的穩(wěn)定性計算，土體的邊界條件為：約束土體側面的經向自由度，約束土體底面的所有自由度，加載條件為：對樁體施加自重荷載，在樁頂施加60T重的錘重荷載和水流荷載。

計算結果：樁體在錘擊荷載下進尺10m時刻，樁體在錘重和水流荷載作用下，樁體頂端的最大水平側移量為：0.17m（樁體的水平位移云圖如圖4所示），此時的傾斜角為：0.2°＜1.25°。故在穩(wěn)定性方面滿足要求。

表3 不同組件的單元劃分情況

圖1 樁體及土體有限元模型

圖2 樁體自沉的豎向位移云圖

圖3 錘重和水流荷載作用下樁體的水平位移云圖

圖4 樁體在錘擊荷載下進尺10m時的水平位移云圖

3.結論

本文從工程應用的角度出發(fā)，采用CEL法模擬海洋軟土中細長樁基自沉及在打樁錘錘擊過程中樁基的下沉與屈曲穩(wěn)定性，為工程建設提供必要的參考。得出的主要結論如下：

（1）樁體在自重荷載作用下，在土體中發(fā)生下沉，下沉速度隨時間的增加逐漸增大，當t=8s時，樁體下沉速度達最大，最大速度v=1m/s，由于樁體受到土體的摩阻力作用，當t=8s之后，樁體下沉速度隨時間的增加而逐漸減小，當t=16s時，樁體下沉速度達v=0.01m/s，當t=20s時，樁體下沉速度幾乎為零。樁體的豎向位移隨時間的增加逐漸增大，t=0～8s之間時，位移增加的幅度隨時間的增加逐漸增大，t=8～16s之間時，位移增加的幅度隨時間的增加而逐漸減小，t=16～20s之間時，樁體的豎向位移幾乎達到一恒定值保持不變，可見，此時樁體已下沉穩(wěn)定，樁體在自重載荷下，最終沉降量為：10.67m。

（2）樁體在錘重和水流荷載作用下，樁體頂端的最大水平側移量為：0.406m，此時的傾斜角為：0.392°＜1.25°，所以可知，在穩(wěn)定性方面滿足要求。

（3）樁體在錘擊荷載下進尺10m時刻，樁體在錘重和水流荷載作用下，樁體頂端的最大水平側移量為：0.17m，此時的傾斜角為：0.2°＜1.25°，所以可知，在穩(wěn)定性方面滿足要求。