多种自升式海洋平台桩靴上拔过程仿真分析

2018-09-02李永正孙晓鹏谢仁杰唐焱彬李晨鹏

舰船科学技术 2018年8期

李永正，孙晓鹏，谢仁杰，唐焱彬，王哲，李晨鹏，卞超

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003)

0 引言

拔桩的难易程度是衡量自升式平台总体性能优劣的重要指标之一，它对平台的机动性能以及平台的安全都有重要的影响，因此顺利拔出插入泥土中的桩靴是保证自升式平台安全的基本要求。本文根据ABS规范，以JU2000E自升式平台为研究对象，通过建立桩靴与土的模型，进行3种桩靴形式的拔桩力研究，利用有限元分析软件LS-DYNA完成3种桩靴上拔过程的仿真分析，获得不同桩靴结构形式在拔桩过程中上拔力等特性，并把计算结果和经验公式计算结果进行对比分析。

1 圆形桩靴上拔力数值模拟

1.1 桩靴与土模型

为了更好地模拟桩靴上拔过程中挤压周围土体的整个过程，本文在桩靴模型上方建立了土体模型，对土体模型进行网格划分时取0.5 m，桩靴下部分的土体模型取2 m，圆弧边进行8等分的细化。建立1/4桩靴模型以及单层土作为桩靴上拔过程的研究对象，拔桩模型如图1所示。

图1 拔桩模型Fig. 1 Pulling pile model

1.2 模型参数设置

桩靴的材料主要采用AH36、DH36和EH36钢，在3个主舱壁和桩腿连接处采用EQ70高强度钢。其中AH36，DH36和EH36材料的屈服强度为355 MPa，考虑安全系数为1.1，所以许用屈服强度为320 MPa；EQ56材料的屈服强度为690 MPa，安全系数为1.11，得到许用屈服强度为621 MPa。利用Ansys Workbench中的LS-DYNA进行拔桩数值模拟时，根据国内学者选取过的参数设置，土体、钢的主要参数及桩靴尺寸如表1所示。

表1 材料及尺寸参数设置Tab. 1 Material and size parameter settings

1.3 边界条件设置及接触

海底的底基对桩靴的作用是非线性接触，但这种施加约束的方法不便在工程实际中操作和实施。本文综合考虑了各种因素，将均布载荷施加到桩靴底部，在桩靴整体模型的顶部3个支点处采用简支。土体采用六面体单元划分，边界条件施加方式如下：土体模型底部做竖向约束，选择底部2个面，使Z=0；土体模型侧面施加位移约束，即横向和竖向的面固定；对桩靴施加竖直方向的速度，使Z=0.3；顶面不施加约束，土体和桩靴之间共定义6组接触对。

拔桩过程中，垂直向上的力有船体浮力和桩腿、桩靴浮力两部分。垂直向下的力有4部分：桩腿、桩靴的重力、桩靴底部的吸附力、桩靴侧面的摩擦阻力和桩靴上部覆土压力。拔桩阻力包括桩靴底部的吸附力、桩靴侧面的摩擦阻力、桩靴上部覆土作用力和被移动土体的侧面阻力。现有的资料对桩土之间摩擦系数的探讨尚未成熟，同时考虑到桩腿是细长构件，因此桩土之间的摩擦可以忽略。

1.4 计算结果分析

设置桩靴底部距离土体表面9 m，上拔速度为0.3 m/s，选取60 s作为整个上拔过程所需要的时间，选取不同时间点的上拔力，如表2所示。

经LS-DYNA准静态计算得出桩靴上拔力与上拔时刻之间的相互关系（见图2）和桩靴上拔过程中土体位移和桩靴上拔时间的相互关系（见图3）。

从图2可以看出，上拔力在10 s左右达到最大值，并在23 s以后开始减小，在40 s之后趋于0，桩靴被完全拔出。由于1/4模型的桩靴临界上拔力为18 621 kN，所以整个桩靴的拔桩力为74 484 kN。从图3可以看出，在相同时间内，拔桩速度越大，桩靴上拔的土体位移就越大，在这个过程中发生剪切变形的土壤就越多。因此，拔桩阻力会随着速度的增大而增大。

表2 桩靴上拔时间与上拔力部分数值Tab. 2 Lifting time and pull-out force of the pile shoe

图2 桩靴上拔力与上拔时间相互关系Fig. 2 Relationship between pull-out force and pull-up time of pile shoes

图3 土体位移和桩靴上拔时刻关系Fig. 3 Relationship between soil displacement and pulling time of pile shoes

1.5 不同时刻拔桩土体流动机制分析

图4为平台拔桩过程中土体流动的情况，桩靴周围为土体流动机制的主要分析区域。

图4 不同时刻土体流动情况Fig. 4 Soil flow at different Times

从图4可以看出，在拔桩初期，由于桩靴埋的位置较深，土壤破坏只是发生在桩靴的周围，桩靴上表面的土壤在上拔力影响下发生剪切，沿着桩靴侧表面流动至桩靴底部；11 s之后，由于此时桩靴距离土壤表面较近，因此在剪切力的作用下破坏面从桩靴一直延续到土壤表面，在表面形成隆起，直至拔桩作业结束。

综上所述，拔桩过程中的土壤流动机制可以分为2种状态：浅基础状态下，土壤只产生空腔和表面的隆起；深基础状态下，土壤会沿桩靴壁面形成土壤回流。

2 不同桩靴形式对桩靴上拔力影响研究

2.1 桩靴与土模型

为选取最佳桩靴形式,对正六边形、正十二边形2种桩靴的上拔力进行分析。正六边形模型和正十二边形模型参数、边界条件和接触对参考圆形桩靴进行设置，几何模型和数值模型如图5所示。

2.2 计算结果分析

图5 三种桩靴形式几何模型和数值模型Fig. 5 Geometric model and numerical model of three kinds of pile shoes

表3 三种桩靴不同时刻上拔力部分数值Tab. 3 Pull-out force values of three types of pile shoes at different times

3种桩靴上拔过程中相同时刻上拔力对比如表3所示。

经过LS-DYNA准静态计算得出正六边形、正十二边形2种桩靴形式上拔过程中上拔力与上拔时刻的关系，3种桩靴形式的时间-上拔力对比曲线如图6所示。

从表3和图6中可以看出，圆形桩靴在11.4 s达到临界状态，临界上拔力为18 621 kN，六边形桩靴在9.3 s达到临界状态，临界上拔力为16 654 kN，十二边形桩靴在9.4 s达到临界状态，临界上拔力为17 988 kN。对比可得，圆形桩靴所需的上拔力最大，相对于六边形桩靴和十二边形桩靴较难拔出，原因是圆形桩靴外圈圆为六边形桩靴和十二边形桩靴的外接圆，因此圆形桩靴的侧表面积与泥土接触比其他2种桩靴形式接触面积大，导致圆形桩靴上拔力比其他2种桩靴大。