钢管桩施工中的拒锤安全性分析

王 保 计

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

钢管桩施工中的拒锤安全性分析

王 保 计

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

针对海洋导管架平台钢管桩施工中的拒锤现象，利用有限元软件建立桩的分析模型，对拒锤时桩体动态响应进行分析，得出桩体的应力分布及变形曲线，结果表明利用ANSYS中的动力分析模块可以较好的模拟出钢管桩拒锤时桩体的动力响应，该方法可为工程优化设计提供参考依据。

钢管桩，打桩，拒锤，应力分布

海洋桩基平台是利用开口钢管桩作为支撑结构的平台，主要由下部基础和上部组块组成，而下部基础主要由导管架和打入导管架腿内的钢桩组成。海洋桩基平台钢桩一般采用开口钢桩，施工时利用桩锤的冲击机械能克服土体对桩的侧摩阻力和端阻力，使土体的静力平衡破坏，桩体下沉达到设计深度。就胜利油田埕岛海域而言，海洋平台用钢桩桩径为1.0 m～1.8 m，入泥深度在50 m～90 m之间，采用冲击锤打入的施工方式。钢管桩的施工过程中，随着桩体的打入，不同的土层土壤条件均在变化，当桩端的土质较硬(如遇铁板砂土层)、停锤时间过长、停锤接桩位于密实的砂层等不利条件时，易造成拒锤现象。施工中的拒锤必然会拖延海上安装的工期，同时也将增加昂贵的船只租赁费用、施工人员费用、桩锤租赁费等工程建设费用。对于工程安全角度而言，开口钢桩是采用冲击法打桩，发生拒锤时冲击锤的桩侧土体已经扰动，桩端无法进尺，冲击能易使钢管桩发生纵向压曲而破损。本文利用ANSYS的动力分析功能进行模拟拒锤时桩端、桩身及桩顶部具体的动力响应情况。

1 边界条件

开口钢管桩施工时，如遇拒锤情况，桩端下沉基本停止，此时作用于桩头的锤击能量传递给桩身。由于打桩过程中桩体表面的土体有效应力降低，桩端的阻力较大。对有限元分析模型的边界条件简化如下：1)打桩时桩侧土体的有效应力较小，忽略桩侧阻力；2)拒锤发生时，在桩锤的打击下桩体无法下沉，桩端的土体模拟为刚体。其中对于边界条件1)的解释为在打桩过程中，由于拒锤桩没有进尺，桩侧的土体发生扰动，桩侧阻力小的多，因此假设比较合理。在打桩过程中对桩体的最不利时刻发生拒锤情况下，计算中假设桩端的桩土作用为刚性接触。该计算分析的条件是桩锤对桩管的冲击作用，冲击力即是桩锤的惯性力。计算方法采用瞬态动力学分析(亦称时间历程)法，对钢管桩在桩锤打击下的受力、应力状态进行分析，计算中考虑状态非线性。

2 荷载组合

在打桩作业时，作用于桩体的外荷载主要由桩的自重、打桩锤重量以及打桩锤下落到桩顶的动力冲击力组成。桩体的自重与打桩锤的重量模拟成静荷载，按照桩体的倾斜角度分解后施加到桩端相应的节点上。打桩锤的动力作用主要是冲击力，在ANSYS的动力模块中设置求解时间，并将打桩锤的实际能效输入到软件中，将软件中关于求解选线的相关输入能量选项的参数。根据相关打桩工程经验，输入打桩拒锤的时间参数，如打桩时间，锤击频率等施工相关参数，形成动力分析的外加能量文件。施工中拟采用D128型的冲击柴油锤，D128筒式柴油打桩锤为内打击能量较大的筒式柴油打桩锤，该锤的主要技术参数见表1。

表1 D128型桩锤参数表

3 数值分析

分析所选模型为胜利埕岛油田某平台预打加固桩，平台作业水深13.0 m，桩长74.3 m，壁厚为2.4 cm，2.8 cm，3.0 cm的变壁厚开口钢管桩(见图1)。根据桩体的外形参数在ANSYS中建立分析实体模型(见图2)，对建立的实体模型划分有限元单元网格，根据桩锤参数定义荷载随时间变化的相关荷载参数。为模拟分析桩体在拒锤发生时桩体本身的应力分布，将边界条件简化为桩端固定边界条件，桩头为自由端，桩与导管之间为接触关系，并将有限元模型的下部单元约束。

ANSYS动力分析模块应用中心差分方法对运动方程进行显示积分，应用一个增量步的动力学条件计算下一个增量步的动力学条件。在增量步开始时，程序求解动力学平衡方程，表示为用节点质量矩阵M乘以节点加速度ü等于节点的合力(在所施加的外力P与单元内力I之间的差值)：

Mü=P-I

(1)

在当前增量步开始时(t时刻)，计算加速度为：

(2)

由于显示算法总是采用一个对角的或者集中的质量矩阵，所以求解加速度并不复杂，不必同时求解联立方程。任何节点的加速度完全取决于节点质量和作用在节点上的合力，使得节点计算的成本非常低。

对加速度在时间上进行积分采用中心差分方法，在计算速度的变化时假定加速度为常数。应用这个速度的变化值加上前一个增量步中点的速度来确定当前增量步中点的速度：

(3)

速度对时间的积分加上在增量步开始时的位移以确定增量步结束时的位移：

(4)

4 结语

1)在海上钢管桩的工程设计中可以利用ANSYS的动力分析模块对桩体进行动力响应，模拟打桩发生拒锤时桩体的应力、变形情况，为桩体设计提供参考，为优化工程设计提供依据。

2)在桩端2 m和桩头3 m的范围内为最危险区域，该处桩端壁厚应适当加厚且与相邻桩端壁厚的变化不应较大。

[1] 王 赫.桩基础工程施工与组织管理[M].北京：中国建筑工业出版社,1997.

[2] 廖振鹏.工程波动理论导论[M].北京：科学出版社，2002.

[3] Joseph E.Bowles.Foundation analysis and design[M].Mr Graw-Hill Publishing Co.,2001.

[4] Lymon C.Reese.Analysis and design of shallow and deep foundations[M].John Wiley & Sons Inc,2005.

[5] API RP 2A. Recommended practice for planning, design and

constructing fixed offshore platforms-Working stress design[M].2002.

On safety analysis of hammer repelling in steel pipe piles

Wang Baoji

(SinopecPetroleumEngineeringCorporation,Dongying257026,China)

According to the hammer repelling on ocean jacket platform for steel pipe piles, the paper adopts the finite element software to establish the analysis model of the pole, undertakes the dynamic response analysis of the pile in the hammer repelling process, concludes the stress distribution and deformation curves, and reflects by the results that the dynamic analysis model in ANSYS can better simulate the dynamic response pf the piles in the repelling process, so as to provide some reference for optimizing design in projects by the method.

steel pipe pile, piling driving, hammering repelling, stress distribution

2014-12-15

王保计(1980- )，男，工程师

1009-6825(2015)06-0070-03

U655.544

A