桩靴支护结构对桩端极限承载力的影响

张兆德，吕国兴，张心

1浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022

2浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022

桩靴支护结构对桩端极限承载力的影响

张兆德1，2，吕国兴1，2，张心1，2

1浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022

2浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022

以渤海湾“胜利五号”自升式作业平台桩基贯入工程实例为基础，优化自升式平台桩靴支护结构位置，采用有限元数值模拟位置优化后的桩端极限承载力，并与实际桩端承载进行比较。优化结果表明：沿桩靴径向和垂向优化发现桩端极限承载力由内向外是先增大、后减小，支护结构在r'/r=0.6，h/H=0.4处优化达到预期效果；合理优化桩靴支护结构的位置可以改变桩靴上端面土体流动方向，减小土体对桩靴上端面冲量及桩靴上、下端面土体流速差，稳定贯桩过程，能够增加桩端极限承载力。

自升式平台；桩靴；极限承载力；支护；数值模拟

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.020.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：张兆德，吕国兴，张心.桩靴支护结构对桩端极限承载力的影响［J］.中国舰船研究，2016，11（2）：66-71.

ZHANG Zhaode，LV Guoxing，ZHANG Xin.The effect of optimized structures on the spudcan bearing capacity［J］.

Chinese Journal of Ship Research，2016，11（2）：66-71.

0　引　言

在近海石油勘探与开发过程中，自升式平台是一种常用的移动平台结构形式。此类海洋工程结构的共同特点是依靠桩腿和桩靴支持在海底基础上，其入泥深度远小于桩靴尺度，因此经常会发生地基不稳、桩腿沉降不匀、平台倾斜、冲刷与淘空现象。同时，桩靴上部空腔破坏后坍塌的土体覆盖在桩靴上部会加大拔桩作业的困难。对桩基贯入问题，国内、外学者开展了大量研究［1-5］，但是对于自升式平台桩靴的优化设计涉及较少。桩靴结构形式影响贯桩过程中桩侧土体的回流机制［6］，现有桩靴结构虽保证了平稳贯桩，却忽略了桩侧土体回流机制对插拔作业的影响、支护结构对基础的影响。吴贤国等［7］采用有限元方法研究了支护结构对上部框架结构—筏基—地基的共同作用体系的作用，研究认为支护结构可以分担建筑物的部分载荷，影响地基承载力，同时也增大了基础内力。杨光华［8］对深基坑支护结构的受力和变形计算提出了一套系统的实用计算方法，较好地解决了基坑支护结构设计、计算的关键问题，并已经在工程实践中成功应用。

与实际桩靴桩端承载比较发现，由于桩靴支护结构的存在，影响了贯桩过程中桩侧土体的回流形式。沿径向和垂向分别选取优化位置并分析，发现不同位置处桩靴支护结构对桩端极限承载影响不同。

1　桩靴结构优化设计

1.1有限元数值模型

图1　桩靴模型Fig.1　The spudcan model

图2　地基网格模型Fig.2　The foundation mesh model

桩靴支护结构优化位置沿径向和垂向的分布如表1所示。表中：r'为径向优化位移至桩轴中心线的水平距离；r为桩靴半径；H为桩靴贯入地基的深度，取H=6 m；h'为垂向优化位置至桩靴上部的垂直距离。

表1　桩靴优化位置Tab.1　The optimized position on spud can

1.2工程地质条件

在以桩端极限承载力为研究重点的问题中，应考虑桩靴上部空腔破坏，土体回流对桩端承载的影响，因此在结构强度设计中以桩靴上部完全被土体所覆盖为原则来探究桩端极限承载力。由于土质材料的不同，硬土空腔状态不易发生破坏，不适宜探究桩端极限承载力问题。在插桩深度范围内的地基土主要由粘土、淤泥质粘土和粉土构成，为准确模拟桩基贯入过程及桩靴上部空腔形态结构对桩端极限承载力的影响，对土质参数进行软化处理，将土质结构简化为粘土属性，如表2所示。

表2　土体参数Tab.2　The soil parameters

2　桩端承载力工程应用与研究

对优化位置分别进行数值模拟计算、分析，发现桩靴支护结构的存在改变了桩土贯入过程局部性能，但是沿垂向、径向不同位置，贯桩阻力随贯入深度的变化趋势一致，桩端承载存在局部波动。即对桩靴结构的优化并没有改变桩端承载的趋势，符合结构优化的目的。图3所示为沿桩靴垂向优化位置贯入深度与桩端承载力示意图，图4所示为沿桩靴径向优化位置贯入深度与桩端承载力示意图。

图3　垂向优化桩贯入阻力Fig.3　The spudcan penetration resistance on vertical optimized position

图4　径向优化桩贯入阻力Fig.4　The spudcan penetration resistance on radial optimized position

2.1桩靴结构沿径向优化设计

采用有限元数值模拟支护结构对桩端极限承载力的影响，并与实际桩端承载进行比较。“胜利五号”自升式平台桩靴桩端承载实际载重RF= 9 880 000 N，如图5中虚线所示。

由图5可知，同一径向位置，桩靴支护结构沿不同垂向位置优化对桩端承载影响不同。其中，在径向位置r'/r=0.6处，桩端极限承载力优化效果最好；在r'/r=0.5，h/H=0.4和r'/r=0.7，h/H=0.4处，桩端极限承载力均超过了实桩桩端极限承载力；在r'/r=0.8处，桩端极限承载力小于实桩桩端极限承载力。

图5　径向位置r'/r=0.5，0.6，0.7，0.8处桩端极限承载力变化Fig.5　The spudcan bearing capacity at radial optimized position r'/r=0.5，0.6，0.7，0.8

可知，沿径向桩端支护优化由内向外的桩端极限承载力是先增大后减小。在r'/r=0.6处，h/H=0.3，0.35，0.4处优化达到预期效果。

2017年10月18日，在中国共产党第十九次全国代表大会上，习近平总书记首次提出“新时代中国特色社会主义思想”。十九大的召开，标志着中国步入了社会主义发展的新时代，在“新时代中国特色社会主义思想”中，建设文化强国，是实现中华民族伟大复兴的中国梦的前提和基础。

2.2桩靴结构沿垂向优化设计

由图6可知，同一垂向位置，桩靴支护结构沿不同径向位置优化对桩端承载力的影响不同。其中，在垂向位置h/H=0.40，r'/r=0.6，0.7处，桩端极限承载力优化效果最好；随着垂向深度的增加，桩端极限承载力是先增大后减小。

图6　垂向位置h/H=0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50处桩端极限承载力的变化Fig.6　The spudcan bearing capacity at vertical optimized position h/H=0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50

随着垂向优化位置变大，桩靴上部空腔体积先增大后减小，桩端极限承载力也是先增大后减小，其中在h/H=0.40，r'/r=0.6，0.7处优化效果达到预期。

3　土体流动机理变化

3.1支护结构对桩侧土体流动的影响

贯桩过程中，桩侧土体流动形式及桩靴上部空腔形态的变化对桩端承载力的影响很大。桩靴优化前、后，桩靴上部从空腔形态开始破坏（图7（a）、图7（b））至空腔破坏稳定状态（图7（c）、图7（d））时桩靴上、下端面土体流动速度矢量图如图7所示。

图7　桩靴上、下端面土体流动速度矢量分布Fig.7　The soil flow velocity vector distribution on the spudcan

贯桩初始阶段至空腔开始破坏，桩靴下土体被挤入桩侧，在桩侧，土体有相当大的回旋速度。由于支护结构的存在，改变了桩侧土体的流动机制，支护结构的存在导致空腔的破坏提前发生，并且桩侧土体的回旋速度也较未优化桩靴小，土体在空腔垂直剪切面破坏速度小。在桩土贯入过程中，桩侧土体回流导致空腔垂直剪切面发生剪切破坏［11］。由空腔垂直剪切面破坏，导致该垂直面上的土体对桩靴上部端面有一定的速度冲击。同时，桩端下部土体受压被挤入桩侧致桩靴下形成瞬态吸力［12］，导致在桩靴上、下端面形成速度逆差，由于该速度逆差的存在，导致贯桩过程中桩端承载呈现波动。若该速度逆差变大，易导致桩靴上部空腔坍塌破坏，不利于贯桩稳定性。

至贯桩达到稳定状态，桩靴上部完全被土体覆盖，空腔破坏形态稳定，支护结构的存在使桩侧土体仅存在局部的土体回旋运动，土体表面运动稳定。对于未优化桩靴，其上端面存在垂直冲击速度，同时桩靴下土体的分离速度比较激烈，贯桩速度仍有较大速差存在。

由桩靴上、下端面土体流动速度矢量图可知，支护结构的存在在一定程度上改变了桩侧土体的流动形式，缓和了桩侧土体的回旋运动，使得贯桩过程更加稳定。

3.2桩靴上、下端面土体流速差

桩土贯入过程中，原始桩靴与优化桩靴上、下端面的土体流动速度分布如图8所示。贯桩初始阶段，桩靴上、下端面土体流动速度及速度差较小。至空腔开始破坏时刻，贯桩深度达到临界深度h=1.73 m后，桩靴下土体被挤入桩侧，土体在桩侧开始回流运动。桩靴上部空腔在回流土体的冲击作用下，沿空腔垂直剪切面发生剪切破坏，桩靴上部土体回流速度变大；贯桩稳定后，桩靴上、下端面土体流动稳定。

图8　桩靴上、下端面土体流动速度分布及相对速度Fig.8　The soil flow velocity distribution and the relative velocity at up and down the spudcan

桩靴支护结构离桩轴中心线径向位置越远，桩靴上部空腔的破坏提前，桩侧土体回旋运动越缓和。空腔破坏后土体回流冲击桩靴上端面的垂向速度分量变小，桩靴上、下端面速度逆差减小。桩靴支护结构离桩靴端面水平线垂向位置越远，空腔稳定破坏前桩侧土体回流至支护结构后其速度垂向分量越小，但土体对桩轴的水平冲击速度较大。

综上所述，合理的桩靴支护结构位置能够增大贯桩过程中桩端极限承载力，在径向优化位置r'/r=0.6，垂向优化位置h/H=0.40处，桩靴支护结构的优化对桩端极限承载力贡献最大。

4　结　论

通过有限元数值模拟分析桩靴支护结构位置对桩侧及空腔壁面土体流动特性和桩端极限承载力的影响，并同实际工程中桩端承载力进行比较、分析，得到以下结论：

1）桩靴支护结构影响地基承载能力。桩靴支护结构沿径向位置优化，距桩轴中心线由内向外，桩端极限承载力是先增大后减小；桩靴支护结构沿垂向位置优化，距桩靴上端面由近及远，桩端极限承载力是先增大后减小。

2）桩靴支护结构的存在改变了桩靴上端面土体流动机理。离桩轴中心径向位置越远，桩靴上部空腔破坏越早；离桩靴上端面垂向位置越远，桩靴上部土体的垂向分量越小。支护结构的存在缓和了桩侧土体的回旋速度，同时空腔壁面破坏后，土体冲击桩靴上端面的速度变小，桩靴上、下端面土体流速差变小，更有利于稳定的插桩作业。

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The effect of optimized structures on the spudcan bearing capacity

ZHANG Zhaode1，2，LV Guoxing1，2，ZHANG Xin1，2
1 School of Ship and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，China
2 Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang，Zhoushan 316022，China

Based on the engineering practice about the pile-soil penetration interaction of Shengli No.5 Jack-up in Bohai Bay，a numerical model for the pile-soil penetration process is established to investigate the bearing capacity of an optimized spudcan structure which is then compared to that of the real spudcan. The results show that the spudcan bearing capacity first increases and then decreases from inside to outside along the radial and vertical optimized position.At the radial r'/r=0.6 position and vertical h/H=0.4 posi⁃tion，the optimized structure satisfies expectation.It is concluded that the supports in reasonable positions can increase the spudcan bearing capacity and maintain the stability of the penetration process by changing the flow mechanism of soil，which decreases the impulse and velocity deficit of the soil at the top and bot⁃tom of the spudcan.

jack-up platform；spudcan；bearing capacity；supports；numerical simulation

U674.38+1；TU 473.1+1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.010

2015-05-11网络出版时间：2016-3-17 10:56

国家自然科学基金资助项目（51179173，51379189）

张兆德，男，1964年生，博士，教授。研究方向：海洋工程结构动力分析。

E-mail：zhangzhaode@163.com

吕国兴（通信作者），男，1992年生，硕士生。研究方向：海洋工程结构动力分析。

E-mail：1427997360@qq.com