海洋平台大直径钢管桩打桩过程有限元的研究

沈锦宁,杨 乐

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州 310014;2.徐州市市政设计院有限公司,江苏 徐州 221000）

海洋平台大直径钢管桩打桩过程有限元的研究

沈锦宁1,杨 乐2

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州 310014;2.徐州市市政设计院有限公司,江苏 徐州 221000）

在发展速度极快的当今社会，无论是海上工程还是其他工程，整体规模普遍呈现出逐渐增大的趋势，这是社会发展的必然结果，工程作业难度自然也会有所提升。文章以海洋平台作为研究活动开展的背景，首先根据实际情况建立了相应的有限元模型，并应用PLAXIS软件对满足不同条件的打桩过程进行了相应的动力模拟分析，然后通过理论与实际相结合的方式，针对有限元模型所开展试验得出的结果进行分析，最终得出了相应的结论，供相关人员参考。

海洋平台；大直径钢管桩；打桩过程；有限元模型

0 引言

随着海洋工程发展速度的逐渐加快，海上工程规模普遍呈现除了增大的趋势，因此，为了对海洋工程具有的需要进行最大程度的满足，在对桩基进行设计时，设计人员往往会将大直径、大长度钢管桩作为首选，打桩过程的复杂程度便会随之增加。有限元法在对涉及复杂边界、非线性等条件的问题进行处理时，具有十分明显的优势，将其应用在对打桩过程进行分析的过程中，能够在一定程度上提升在海洋平台上开展的大直径钢管桩打桩工作的准确性。

1 建立有限元模型

作为典型的动力过程，在对打桩过程进行动力分析时，较常应用的软件为PLAXIS软件。受动力荷载作用影响，在特定时刻，系统动力平衡方程如下：

在上文所提及的方程式中，M代表的是系统总质量矩阵；C代表的是系统阻尼矩阵；K代表的是系统刚度矩阵；{δ2}代表的是结点加速度；{δ1}代表的是结点速度；{δ}代表的是结点位移向量；{F(t)}代表的是荷载向量。系统总质量矩阵M与系统刚度矩阵K的共同点在于，二者均是通过对所对应单元质量矩阵与单元刚度矩阵进行集合的方式而建立起来的，与二者不同的是，系统阻尼矩阵C的建立则需要其他参数的参与[1]。但是由于系统阻尼矩阵所需参数往往无法通过试验的方式得出，因此，在有限元模型中，系统阻尼矩阵C通常作为系统总质量矩阵M与系统刚度矩阵K所对应的函数而存在，具体方程式如下：

在上文所提及的方程式中，α和β代表的是比例系数。需要注意一点，在应用二维轴对称的有限元模型对打桩过程进行模拟时，由于所选取有限元模型较大，因此，对所采用约束模式具有一定的要求：两侧边界所采用约束模式应为水平约束，底部边界所采用约束模式则将固定约束作为首选。作为典型的动力问题，打桩过程中，土体内部往往会激起相应的振动波，但是由于土体的实质为半无限大介质，所以，相关人员应当将吸收边界在远场域进行设置，这样做的目的是避免模型边界处出现振动波反射的情况，保证试验结果的准确性。除此之外，将吸收边界分别设置在有限元模型的底部和右侧也是很有必要的。

2 对试验结果进行分析

2.1 打桩过程中土体的响应

本文在对土体在连续打桩过程中发生的变化进行研究时，所采取的研究方法为：以不排水为前提，连续三次对桩体进行力度恒定的锤击，在完成相关试验后，对土体响应进行分析，具体分析结果如下：

2.1.1 土体位移情况

通过对连续锤击后土体发生水平、竖向位移所对应云纹图进行分析能够看出，竖向位移最大的区域为桩端处，另外，发生竖向位移的区域还包括土塞。实践结果表明，若所应用钢管桩的桩径＞1200mm，那么，土塞通常情况下不会在打桩过程中出现闭合的现象。受桩体挤土作用影响，位于桩端下部区域内的土体，往往会沿着径向进行水平移动，移动距离则随着与桩端距离的缩进而增大。在连续锤击的过程中，位于桩端区域的土体竖向的位移会随着锤击数量的增多和加大，另外，位于桩外侧区域的土体，也会出现一定程度上的位移。

2.1.2 超孔隙水压力

通过实践能够发现，桩周土体内部会伴随着打桩过程产生超孔隙水压力，越靠近桩端处的土体，其内部所产生超孔隙水压力就会越大，换句话说，产生超孔隙水压力的部分主要集中在桩端以及土塞下半部分这两个区域、在连续打桩的过程中，随着超孔隙水压力的积累，受其影响的区域也就会变得越来越大，具体表现为：由最初的土塞下半部分向上半部分扩展，由最初的中心区域向四周扩展。当然，随着超孔隙水压力所在区域和桩轴线之间距离的逐渐增加，压力数值也会有所衰减，但是其影响范围始终被控制在桩径3倍这一范围内。

2.2 受锤击力作用，桩顶的加速度、速度和竖向位移

在对桩顶加速度、速度和竖向位移的变化进行研究时，如果想要保证研究结果的准确性，关键在于对桩顶锤击力所对应振幅的数值进行设定，本文将振幅F设为20000kPa、40000kPa和60000kPa，再以此为基础，对受不同锤击力作用产生的桩顶加速度、速度和竖向位移数值进行研究。

研究结果表明，首先，桩体位移只有达到最大数值并发生回弹后，才能够趋于稳定，与回弹量密切相关的因素主要为土体性质；其次，桩体位移所具有的滞后效应也是较为明显的；最后，桩体贯入量往往会随着锤击力的增加而增大。另外，受土体抗力影响，桩体会在桩顶荷载数值减小至零时产生相应的反向加速度，但加速度数值并非产生之初就十分稳定的，而是需要经过几次波动，才能趋于稳定；若锤击力增加，桩顶的加速度以及速度数值也会有所增加，想要达到稳定状态需要花费的时间也更长。

3 结论

通过对上文所叙述的内容进行分析可以发现，对大规模海上工程而言，大直径、大长度钢管桩是在对桩基进行设计时不可或缺的部分，在对大直径钢管桩进行打桩时，往往需要涉及到边界非线性、几何非线性等传统打桩工作涉及不到的复杂问题，打桩难度也随之增加。文章主要对打桩过程中土体响应、桩顶加速度、速度和竖向位移这几个方面的内容进行了分析，希望能够在某些方面为海洋平台上针对大直径钢管桩所开展的打桩工作提供帮助。

[1]刘剑涛,李飒.海洋平台大直径钢管桩打桩过程有限元分析研究[J].海洋工程,2015(3306):90-94.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.092