均质软黏土中双筒吸力桩基础最佳荷载作用点不排水承载特性数值分析.docx

? ? 均质软黏土中双筒吸力桩基础最佳荷载作用点不排水承载特性数值分析 ? ? 王长涛，任玉宾，张世兴，王江宏，王凤云，王 胤 （1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024） 随着海洋资源开发与利用逐渐由近浅海向深远海迈进，深水海洋环境的复杂性与恶劣性对海底工程设施的基础形式提出了更高的要求，将直接导致以下三个问题：①继续采用单吸力桩基础形式则会导致吸力桩尺寸过大，增加陆上加工制造以及海陆运输成本与困难；②深远海海底环境复杂，大直径吸力桩基础的安装成本和施工的困难均会增加；③大直径吸力桩承载力的发挥对荷载作用点和受荷管架可承受的最大应力也提出更高要求. 深水海底平台由于受到海底洋流、管线及上部设施的复杂荷载作用，往往需要采用多个吸力桩进行固定.由多个吸力桩形成的组合桩基础能够保证上部平台结构更加稳固、调节精度更高，能够满足各种新型设备对于平台定位精度的要求，因而组合桩基础形式在深海生产系统中有广阔的应用前景. 对于多筒吸力桩基础，不同的组合形式使得基础在复杂的深海环境中会存在不同的荷载作用位置.已有多位学者研究表明，吸力桩基础的荷载作用点位置对于承载特性有较大影响.目前已知最早的研究为1994年Keaveny等［1］在黏土中进行了多组吸力桩基础水平受荷原位试验，发现不同荷载作用点位置的极限承载力差距可达2倍.Tjelta［2］在2001年研究了不同强度的黏土中最佳荷载作用点的位置，研究发现在均匀强度的黏土中，最佳荷载作用点位置在1/2L，在土体强度随深度线性增加的黏土中，最佳荷载作用点的位置则在2/3L处，且Tjelta指出将荷载作用点施加在筒体某一深度处，吸力桩基础只发生平动，不发生转动，此时吸力桩基础具有最大的承载能力.Supachawarote等［3］通过有限元软件ABAQUS对正常固结土中的吸力桩基础进行承载力分析，研究结果表明当荷载作用点位于0.7L时，其承载力高于其他位置.张其一等［4］利用有限元软件ABAQUS分析吸力桩基础的水平受荷进行分析，研究荷载作用点位置和吸力桩长径比对极限承载力的影响，并给出深水吸力桩失稳模式.研究发现荷载作用点位置极大地影响着吸力桩的极限承载力与稳定性，荷载作用点位置的变化会导致吸力桩出现前倾转动、平移滑动和后仰转动失稳模式，同时吸力桩失稳模式受长径比的影响.王建华等［5］通过室内模型试验对长径比为6和4的吸力桩在0.59L处受荷的极限承载力进行了试验研究，发现当加载角度40°变化至20°时，筒体破坏时的水平位移和承载力逐渐增加，但研究中未能考虑荷载作用点随加载角度的变化关系.黎冰等［6］通过模型试验方式研究砂土中吸力桩基础的承载特性，发现当荷载作用点位于沉箱高度的2/3L和3/4L处时获得的基础承载力最大. 目前，关于双筒基础的承载特性研究较少，尤其是针对双筒基础最佳荷载作用点的承载特性的研究成果更为少见.朱斌等［7-8］通过室内模型试验和离心机试验研究了四锚基础的抗拔和抗倾覆能力，但均考虑的是固定荷载作用点受荷工况，未考虑不同荷载作用点受荷时的承载特性.基于上述研究现状，本文基于有限元软件ABAQUS建立了双筒基础的三维有限元模型，分析了长径比、筒间距、加载角度等因素对双筒基础最佳荷载作用点位置变化的影响，得到了不同工况下双筒基础最佳荷载作用点位置处倾斜受荷的V-H承载力破坏包络线.通过与单筒基础模拟结果的对比，定性计算得到了群桩效应系数，分析了上述三因素对双筒基础承载特性的影响程度. 1 有限元计算模型 与室内模型试验和现场原位测试相比，数值模拟简便快捷，可进行多参数分析，具有一定优势，同时还能获得试验中难以测量的结果.本文基于已有学者的研究方法［9-12］，利用大型商用有限元软件ABAQUS，基于通用静力总应力分析方法对双筒吸力桩基础承载特性开展模拟研究. 1.1 模型建立 双筒吸力桩基础受荷加载位置及角度示意图如图1所示，其中ZP表示荷载作用点距离筒顶平面的竖向距离，HP表示荷载作用点距离吸力筒顶中心处的水平距离；θ表示单个吸力筒受荷方向与水平面的夹角，称为荷载作用角度；S为双筒基础两个吸力筒外侧壁之间的径向距离，称为筒间距.定义与吸力筒受荷方向相同的一侧为前侧，前侧径向正对的一侧为后侧，在双筒基础受荷过程中，筒间为前侧. 图1 双筒基础受荷示意图Fig.1 Loading schematic diagram of unidirectional loading of double-bucket foundation 由于模型具有对称性，故取双筒基础和土体各一半进行有限元模型的三维建模，建立的双筒基础有限元分析模型如图2所示，其中DB为土体深度方向边界，RB为土体距离吸力筒外侧的径向边界.土体和