潘澤華,劉博,劉東華
(中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司, 廣東 廣州 510663)
我國是海上風(fēng)能資源大國,擁有著漫長的海岸線,達(dá)1.8萬km之長。然而隨著我國海上風(fēng)電市場快速發(fā)展,近海風(fēng)能資源逐漸不再能夠滿足人們的需求,我國海上風(fēng)電逐漸走向深海化、遠(yuǎn)?;?。因此,我國亟需各種海工設(shè)備和先進(jìn)技術(shù),助力我國海上風(fēng)電邁入深海、遠(yuǎn)海時(shí)代和平價(jià)化時(shí)代[1]。
與此同時(shí),自升式可移動(dòng)平臺(tái)憑借其轉(zhuǎn)場方便、可回收等優(yōu)點(diǎn),逐漸受到了海上風(fēng)電行業(yè)的青睞。可移動(dòng)自升式平臺(tái)由平臺(tái)、樁腿和樁靴組成,通常采用預(yù)壓安裝的方式,通過預(yù)壓荷載將樁靴壓入海床土體中,為平臺(tái)提供支撐。在單層土體中預(yù)壓貫入時(shí),樁靴貫入阻力通常隨貫入深度增加而增加,然而在復(fù)雜土層尤其是“上硬下軟”以及“夾層土”土層中預(yù)壓貫入時(shí),樁靴貫入阻力極有可能會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢,造成“穿刺”現(xiàn)象[2],進(jìn)而導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,針對樁靴貫入這一過程,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。
Hossain等人[3-5]針對樁靴在黏土和“上硬下軟”土層中的貫入過程進(jìn)行了大量數(shù)值分析和模型試驗(yàn)。針對單層黏土,作者研究了樁靴在黏土中貫入時(shí)貫入阻力的影響因素,如基礎(chǔ)粗糙系數(shù)、土體強(qiáng)度等,并對樁靴貫入阻力進(jìn)行了歸一化處理,得到了承載力系數(shù)的大致范圍,同時(shí),對極限空穴深度進(jìn)行了分析,得到了極限空穴深度的表達(dá)式;針對“上硬下軟”的成層土,作者分析了土體強(qiáng)度、土層厚度等因素對“穿刺”現(xiàn)象的影響。Qiu等人[6-7]利用CEL技術(shù)針對上砂下黏土層中的樁靴貫入阻力進(jìn)行了數(shù)值分析,研究了砂土層相對密實(shí)度和樁靴尺寸對貫入阻力的影響,并分析了樁靴在上砂下黏土層中的穿刺機(jī)制,指出了其與典型的承載力破壞模式的區(qū)別。Zhang等人[8]分析了樁靴在成層土中的穿刺現(xiàn)象,并分析了網(wǎng)格尺寸和貫入速率對數(shù)值試驗(yàn)的影響。作者指出,當(dāng)最小網(wǎng)格尺寸為0.05D(樁靴直徑)、貫入速率為0.1 m/s時(shí),利用CEL技術(shù)得到的樁靴貫入阻力曲線與模型試驗(yàn)基本一致。戴笑如等人[9]通過CEL技術(shù),分析了歐拉區(qū)域、網(wǎng)格加密區(qū)域、最小網(wǎng)格尺寸,以及樁靴貫入速率對樁靴在各種土層貫入時(shí)的貫入阻力曲線振蕩的影響。研究結(jié)果表明:歐拉域的范圍并不影響樁靴貫入阻力,當(dāng)貫入速率取0.2 m/s、最小網(wǎng)格尺寸取0.05D、加密區(qū)域取2D時(shí),貫入阻力與實(shí)際情況更為相符。Lee等人[10]引入了一個(gè)新的應(yīng)力失效模型,進(jìn)而分析了圓形樁靴在上砂下黏土層中的貫入機(jī)制,提出了全新的計(jì)算公式,該方法對經(jīng)驗(yàn)確定的分布因子具有一定的依賴性。許浩等人[11]針對工程中常見的多層土層,提出了計(jì)算貫入阻力的新方案,即通過采用修正系數(shù)由下向上修正各土層的承載力,最終獲得多層土的承載力。并給出了避免穿刺現(xiàn)象的方法。Hu等人[12]通過一系列試驗(yàn),提出了計(jì)算上砂下黏土層中峰值貫入阻力的修正公式,該修正公式與土體破壞應(yīng)力和砂土層土層厚度相關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該修正公式可廣泛適應(yīng)于密砂和松砂下覆黏土土層。李颯等人[13]通過離心模型試驗(yàn),研究了樁靴在“軟-硬-軟”土層中的貫入阻力和穿刺機(jī)理。結(jié)果表明,樁靴貫入阻力曲線與土體強(qiáng)度比值密切相關(guān)。上層軟土與硬土的強(qiáng)度比值較大時(shí),存在兩個(gè)峰值強(qiáng)度,比值較小時(shí),峰值強(qiáng)度僅出現(xiàn)在硬土層中。鄭敬賓等人[2]對目前出現(xiàn)的常規(guī)貫入阻力計(jì)算方法進(jìn)行了對比,指出了現(xiàn)行ISO方法[14]的保守性。
綜上所述,前人的研究主要集中于圓形樁靴在單層土或多層土中的貫入過程,很少將砂土、黏土,以及多層土進(jìn)行集中分析。因此,本文擬在前人基礎(chǔ)上,利用CEL有限元技術(shù),系統(tǒng)分析矩形樁靴在砂土、黏土和黏土-砂土-黏土中的貫入過程,研究矩形樁靴的沉放貫入機(jī)理和貫入阻力的演變規(guī)律。
在樁靴貫入阻力計(jì)算這一問題中,常采用的計(jì)算方法主要有模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和ISO規(guī)范法。
在模型實(shí)驗(yàn)中,為反映實(shí)際工程中各物理量含義,通常需要按一定的比尺關(guān)系將其縮小,進(jìn)而進(jìn)行模型試驗(yàn)。常見的比尺關(guān)系有1∶50、1∶100等。一般認(rèn)為,模型試驗(yàn)是準(zhǔn)確度最高的方案,然而由于實(shí)驗(yàn)室等問題的限制,該解決方案較為昂貴。
在ISO規(guī)范中,對樁靴在單層黏土、單層砂土以及成層土的計(jì)算方法均做了具體規(guī)定。
在黏土中,樁靴貫入阻力采用式(1)計(jì)算:
式中:
p?樁靴貫入阻力(kPa);
α ??修正后的承載力系數(shù);
su?土體強(qiáng)度(kPa);
p0′對應(yīng)深度處的上覆荷載(kPa)。
在砂土中,樁靴貫入阻力采用式(2)計(jì)算:
式中:
Qv?樁靴在砂土層中的貫入阻力(kPa);
γ′?當(dāng)前土層的有效容重(kN/m3);
dγ?壓載的深度修正系數(shù),取1;
Nγ??壓載的承載力系數(shù);dq?深度修正系數(shù);
Nq承載力系數(shù)。
針對雙層土而言,規(guī)范根據(jù)貫入機(jī)制將其分為整體剪切破壞、擠土效應(yīng)和沖剪破壞,進(jìn)而選擇不同的公式計(jì)算其樁靴貫入阻力。
針對多層土,采用由下至上模式,先判定底部兩層土體破壞模式,計(jì)算其樁靴貫入阻力;之后,將兩層土體視為新的一層土體,重復(fù)上述過程,進(jìn)行計(jì)算。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬計(jì)算逐漸成熟。目前常規(guī)數(shù)值模擬方法有CEL、ALE和RITSS等。其中,CEL方法內(nèi)置有豐富的土體本構(gòu)關(guān)系,相較于其他方法更易訪問,是商業(yè)化最成熟的方法。因此,CEL方法在解決樁靴貫入這一大變形問題中具有明顯優(yōu)勢。本文主要采用CEL方法進(jìn)行計(jì)算。
本研究中樁靴為矩形樁靴,樁靴最大截面處長邊A=14.65 m,短邊B=9.45 m,最大截面底部高度為0.605 m。其余細(xì)節(jié)見圖1。在本文中,將樁靴基礎(chǔ)約束為剛體。樁靴基礎(chǔ)采用C3D10M網(wǎng)格類型劃分,網(wǎng)格尺寸取0.05B,網(wǎng)格總數(shù)為25 000個(gè)。
圖1 樁靴模型Fig.1 The model of spudcan
在本文中,分別選取均質(zhì)黏土、非均質(zhì)黏土、砂土和成層土來分析樁靴貫入過程,具體土體參數(shù)如表1所示。
表1 土體參數(shù)Tab.1 Soil parameter
考慮到計(jì)算的時(shí)效性,考慮到模型的對稱性,本文僅建立1/4有限元模型。圖2為3層土的土體模型的示意圖,在模型建立過程中,為避免由于土體范圍過小導(dǎo)致的邊界效應(yīng),土體沿長軸方向和短軸方向分別取5A和5B,空氣層厚度為10 m,土體總厚度為50 m。同時(shí),土體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分,網(wǎng)格類型為EC3D8R。根據(jù)Zhang等人[8]和戴笑如等人[9]的建議,最小網(wǎng)格尺寸取0.05B,最小網(wǎng)格區(qū)域取2A×2A,網(wǎng)格總數(shù)為 68 800 個(gè)。
圖2 土體模型Fig.2 Finite element model of soil
考慮到在插樁的過程中,海洋土體常處于飽和不排水狀態(tài)。因此,在本文中采用總應(yīng)力分析法進(jìn)行分析。針對砂土土層,采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則,作為巖土領(lǐng)域最常用的準(zhǔn)則之一,其表達(dá)式為:
式中:
σ1?最大主應(yīng)力(kPa);
σ3?最小主應(yīng)力(kPa);
c?粘聚力(kPa);
φ ?摩擦角(°)。
在該屈服準(zhǔn)則中,土體材料的破壞僅與最大主應(yīng)力 σ1和最小主應(yīng)力 σ3有關(guān),而與中主應(yīng)力 σ2無關(guān)。
針對黏土土層,采用Tresca屈服準(zhǔn)則,該屈服準(zhǔn)則是摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則特殊工況,其表達(dá)式為:
在本文中,樁靴與土體之間采用通用基礎(chǔ),其法向行為采用硬接觸。同時(shí),為分析粗糙程度對樁靴貫入阻力的影響,法相行為則分別采用光滑接觸、粗糙接觸和摩擦系數(shù)μ=0.6罰接觸。
在本文中,在對稱邊界,即1/4截面處建立對應(yīng)的對稱速度約束,在土體外邊界建立固定速度約束。
為避免樁靴貫入阻力曲線的振蕩,根據(jù)Zhang等人[8]的建議,樁靴貫入速率取0.1 m/s。
Hossain等人[15]針對成層土進(jìn)行了一系列離心試驗(yàn),本文僅選取一組工況進(jìn)行對比,驗(yàn)證CEL方法的可行性。在該工況中,樁靴直徑D=3 m;上層土體為均質(zhì)土厚度為 4.5 m,土體強(qiáng)度subs=13.4 kPa,土體剛度E=250su;下層土體為線性增加土體,土體強(qiáng)度su=8+2(z-4.5)kPa,土體剛度E=250su。具體模擬結(jié)果如圖3所示。圖中顯示,CEL計(jì)算方法得到的樁靴貫入阻力曲線與離心試驗(yàn)得到的結(jié)果具有良好的吻合性,說明了CEL方法的可行性。
圖3 CEL驗(yàn)證Fig.3 Validation of CEL
本節(jié)根據(jù)表1列出的5種典型土體強(qiáng)度分布開展了大變形分析,包括單層均質(zhì)黏土、單層非均質(zhì)黏土、單層砂土及兩種易發(fā)生“穿刺”破壞風(fēng)險(xiǎn)的黏-砂-黏、硬黏-軟黏-硬黏的軟土夾心分層土此5種強(qiáng)度斷面分布,研究了樁靴在不同土層分布工況下貫入過程的土體流動(dòng)機(jī)理。
本文以工況1為例分析樁靴在黏土中貫入時(shí)的土體流動(dòng)機(jī)制。
圖4為樁靴在均質(zhì)黏土中貫入時(shí)的速度場。其中實(shí)線為空氣層與土體的分割線。圖4(a)為樁靴剛與土體接觸時(shí)的土體速度矢量圖,此時(shí)樁靴周圍的土體在擠土作用下發(fā)生斜向外流動(dòng),土體表面逐漸發(fā)生隆起,樁靴上部逐漸形成空穴;當(dāng)樁靴貫入深度z/B=0.5時(shí),樁靴周圍土體斜向外流動(dòng)趨勢消失,空穴側(cè)壁土體呈現(xiàn)豎直向上的流動(dòng)趨勢,如圖4(b)所示;之后,隨著貫入深度的增加,在圖4(c)中,樁靴周圍土體的流動(dòng)模式發(fā)生改變,在擠土作用下,空穴側(cè)壁土體出現(xiàn)回流的趨勢;在圖4(d)中,土體表面的速度場消失,土體表面隆起逐漸穩(wěn)定,不再發(fā)生改變;當(dāng)樁靴貫入深度z/B=1.2時(shí),隨著空穴側(cè)壁土體回流,樁靴上部空穴逐漸被回流土體填充,如圖4(e)所示;之后隨著樁靴貫入深度的進(jìn)一步增加,樁靴上部空穴深度逐漸保持穩(wěn)定,此時(shí)土體僅發(fā)生局部回流,其流動(dòng)模式在之后的貫入過程中保持穩(wěn)定,不再發(fā)生改變,如圖4(f)所示。
圖4 工況1中不同深度下的土體速度場Fig.4 Velocity field of soil at different depths in case 1
圖5為樁靴在非均質(zhì)黏土中貫入時(shí)的速度場。圖5(a)顯示,當(dāng)樁靴貫入深度較淺時(shí),樁靴周圍土體斜向上流出,土體產(chǎn)生隆起,與均質(zhì)土中土體流動(dòng)基本一致;當(dāng)樁靴貫入一定深度時(shí),樁靴周圍土體產(chǎn)生回流,如圖5(b)所示;隨著貫入深度的進(jìn)一步增加,在重力的作用下,隆起土體斜向下流動(dòng),同時(shí)樁靴周圍土體產(chǎn)生回流,此時(shí)位于樁靴頂部的空穴由回流土體和斜向下流動(dòng)的土體共同填充,如圖5(c)所示;在圖5(d)中,空穴深度不再發(fā)生改變,土體運(yùn)動(dòng)模式與均質(zhì)土保持一致,僅發(fā)生局部回流。
圖5 工況2中不同深度下的土體速度場Fig.5 Velocity field of soil at different depths in case 2
圖6為樁靴在砂土中貫入時(shí)的土體速度場。在樁靴貫入前期階段,在樁靴擠土作用下,土體發(fā)生斜向上流動(dòng),土體表面發(fā)生隆起,與黏土中基本一致,如圖6(a)所示;之后隨著樁靴貫入,樁靴土體流動(dòng)模式發(fā)生改變,前期隆起的土體在重力作用下,其流動(dòng)方向發(fā)生改變,轉(zhuǎn)變?yōu)樾毕蛳铝鲃?dòng),如圖6(b)所示;之后,樁靴上部空穴逐漸被斜向下流動(dòng)的土體填充,而位于樁靴邊緣的土體僅在局部范圍內(nèi)出現(xiàn)回流趨勢,并不會(huì)直接填充其周圍空穴,如圖6(c)所示;之后,隨著貫入深度增加,土體持續(xù)斜向下流動(dòng)填充樁靴上部空穴,之前土體隆起的位置形成弧線,受此影響,其空穴深度并不保持恒定,如圖6(d)所示。
圖6 工況3中不同深度下的土體速度場Fig.6 Velocity field of soil at different depths in case 3
圖7為樁靴在黏-砂-黏土體中的貫入阻力曲線,圖中顯示,在樁靴貫入深度達(dá)到B點(diǎn)之前,樁靴貫入阻力緩慢增加;之后,在B-C段,樁靴貫入阻力迅速增加;之后,其增長趨勢放緩,但仍呈增加趨勢。
圖7 工況4中樁靴貫入阻力Fig.7 Penetration resistance of spudcan in case 4
為更好地說明土體流動(dòng)機(jī)理,將圖8所示的土體速度場與樁靴貫入阻力曲線直接聯(lián)系起來。
圖8 工況4中不同深度下的土體速度場Fig.8 Velocity field of soil at different depths in case 4
當(dāng)樁靴貫入至A點(diǎn)時(shí),此時(shí)樁靴周圍土體斜向上流出,產(chǎn)生隆起,樁靴頂部產(chǎn)生空穴。當(dāng)樁靴貫入至B點(diǎn)處,樁靴周圍土體產(chǎn)生回流,并在重力的作用下逐漸填充空穴,此時(shí)樁靴貫入深度逐漸接近黏土底部,但從圖中可以看出,此時(shí)樁靴擠土作用尚未對底部砂土層產(chǎn)生影響。因此在A-B段,樁靴貫入阻力主要由黏土層提供。當(dāng)樁靴貫入至C點(diǎn)時(shí),頂部黏土層在重力作用下持續(xù)坍塌流出,砂土向下流動(dòng),并產(chǎn)生楔形砂塞,對底部黏土層產(chǎn)生影響。因此在B-C段,隨著樁靴逐漸貫入至砂土層中,由于砂土層抗剪能力更強(qiáng),因此樁靴貫入阻力迅速增加。在C-D段,隨著樁靴貫入深度的進(jìn)一步增加,頂部黏土層運(yùn)動(dòng)趨勢保持不變,砂土層產(chǎn)生斜向下流動(dòng)的趨勢,而底部黏土層則產(chǎn)生回流,砂層被攜帶進(jìn)入下層黏土,此時(shí)樁靴貫入阻力由底部粘土層提供。
圖9 為樁靴在黏(硬)-黏(軟)-黏(硬)土體中的貫入阻力曲線。圖中顯示,當(dāng)樁靴貫入深度較淺時(shí),樁靴承載力快速增加,之后隨著樁靴的貫入而逐漸減小,當(dāng)貫入深度z/B=1.8時(shí),樁靴貫入阻力再次增加??梢钥闯?,由于土層強(qiáng)度的影響,樁靴貫入阻力存在明顯的穿刺現(xiàn)象。
圖9 工況5中樁靴貫入阻力Fig.9 Penetration resistance of spudcan in case 5
圖10(a)顯示,在樁靴貫入較淺時(shí),由于頂部土層強(qiáng)度較高,僅產(chǎn)生局部向上的流動(dòng)趨勢,而軟黏土土層由于強(qiáng)度較低,產(chǎn)生明顯的斜向下位移,此時(shí)樁靴貫入阻力由頂部硬黏土層和軟黏土層共同提供。之后隨著樁靴貫入深度的增加,樁靴逐漸貫入到軟黏土層,此時(shí)軟黏土層產(chǎn)生局部回流,并產(chǎn)生填充空穴的趨勢,而頂部黏土層部分土體被樁靴帶走,逐漸形成土塞,如圖10(b)所示。隨著樁靴貫入深度的進(jìn)一步增加,樁靴逐漸接近底部硬黏土層,在這一過程中,頂部黏土層形成的土塞逐漸與頂部黏土層失去聯(lián)結(jié),被側(cè)向擠出,而軟黏土層則在回流趨勢的影響下逐漸填充空穴,如圖10(c)所示,在這一階段中,樁靴貫入阻力由軟黏土土層提供,同時(shí)由于土塞的側(cè)向擠出,有效樁靴尺寸逐漸減小,因此樁靴貫入阻力有所減小。當(dāng)樁靴貫入深度z/B>1.8時(shí),底部硬黏土層產(chǎn)生典型的一般剪切破壞,即土體斜向上流動(dòng),軟黏土層仍保持回流填充空穴的運(yùn)動(dòng)趨勢。在這一過程中,樁靴基礎(chǔ)對底部硬黏土層產(chǎn)生影響,因此其樁靴貫入阻力迅速增加。
圖10 工況5中不同深度下的土體速度場Fig.10 Velocity field of soil at different depths in case 5
為分析摩擦系數(shù)對樁靴貫入阻力和土體流動(dòng)的影響,本文以工況2為例,分別采用光滑接觸、粗糙接觸和摩擦系數(shù)μ=0.6的罰接觸和模擬樁靴基礎(chǔ)的法向行為。圖11為不同摩擦設(shè)置下的樁靴貫入阻力曲線圖,圖中顯示,雖然摩擦系數(shù)有所不同,其貫入阻力基本完全一致。據(jù)此,可認(rèn)為其土體流動(dòng)機(jī)理亦保持一致。
圖11 不同摩擦系數(shù)下的樁靴貫入阻力Fig.11 Penetration resistance of pile boots under different friction coefficients
以東南沿海某實(shí)際工程為例,對樁靴施加9 200 t預(yù)壓荷載,觀察矩形樁靴在該場地的適應(yīng)性。該場地的土體材料參數(shù)如表2所示。
表2 工程土體參數(shù)Tab.2 Engineering soil parameter
圖12為ISO方法和CEL方法計(jì)算得到的樁靴貫入阻力曲線圖。圖中顯示,在預(yù)壓荷載作用下,利用CEL方法在HE土體中得到的預(yù)壓深度為2 m,在LE工況下得到的預(yù)壓深度為12 m;用CEL方法在HE土體中得到的預(yù)壓深度為2 m,在LE工況下得到的預(yù)壓深度為13 m。兩種方法得到的預(yù)壓深度基本一致。圖中顯示,場地1HE(ISO)在2 m及15 m深度處有明顯的貫入阻力降低,這是與ISO計(jì)算“穿刺”風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的假定相關(guān),在分層土交界處計(jì)算時(shí)強(qiáng)度的降低將按照保守的已出現(xiàn)“穿刺”風(fēng)險(xiǎn)破壞模式計(jì)算。但是,從HE工況的強(qiáng)度分布看,第2層為深厚硬土層,盡管強(qiáng)度在降低,但不易發(fā)生“穿刺”風(fēng)險(xiǎn),這可以通過平行的大變形模擬結(jié)果看出,由于大變形模擬可以準(zhǔn)確地反映土體材料在樁靴貫入過程中的流動(dòng),在樁靴貫入過程中上部的軟硬混合土層可被樁靴帶入下層,使得貫入曲線并沒有顯著的“脆性”響應(yīng)(即沖剪破壞區(qū)),同樣地在15 m處的ISO計(jì)算曲線也不應(yīng)認(rèn)為存在“穿刺”風(fēng)險(xiǎn),因此可認(rèn)定場地1HE工況無穿刺風(fēng)險(xiǎn)。另外,規(guī)范方法和有限元方法給出隨深度的貫入曲線趨勢基本一致。在黏-黏交界處,有限元給出結(jié)果更為保守,在黏-砂-黏交界處,規(guī)范法給出結(jié)果更為保守。
圖12 不同方法計(jì)算得到的樁靴貫入阻力Fig.12 The penetration resistance of spudcan calculated by different methods
本文利用CEL有限元技術(shù),針對矩形樁靴,分析了樁靴在多種土層貫入時(shí)的土體流動(dòng)機(jī)理和貫入阻力,并分析了摩擦系數(shù)的影響,研究結(jié)果如下:
1)在樁靴貫入前期,土體均產(chǎn)生擠壓破壞,發(fā)生斜向上流動(dòng)。
2)貫入至一定深度時(shí),樁靴上部空穴發(fā)生填充??昭ㄌ畛浞绞桨ㄓ斜砻嫣鲃?dòng)填充、側(cè)壁回流填充以及二者組合3種。
3)摩擦系數(shù)并不影響樁靴貫入阻力和土體流動(dòng)機(jī)理。
4)樁靴穿刺現(xiàn)象的出現(xiàn)與土層強(qiáng)度密切相關(guān)。當(dāng)樁靴穿越“硬-軟”土層時(shí),極有可能產(chǎn)生穿刺現(xiàn)象。
5)插樁深度的預(yù)測建議按照規(guī)范和有限元模擬相結(jié)合的方法開展設(shè)計(jì),以保證預(yù)測的可靠性。