桶形基础负压下沉静力分析

张心愿 毕龙杰 张铎翰 桂劲松

摘  要：桶形基础在现场安装过程中，首先依靠桶体的自重和上部压载作用，使桶体下沉至泥面以下一定深度;然后把桶顶上预留的抽水口连接至潜水泵进行抽水，在桶内外压力差的作用下使桶体缓慢下沉至设计深度。桶形基础负压下沉时桶体受力情况是关键性问题。本文应用ABAQUS有限元分析软件，对桶形基础承载力进行数值模拟，通过对有限元结果分析阐述桶形基础在竖向荷载下的承载特性，并对桶体负压下沉时桶体的内力分布特性进行研究。

关键词：桶形基础 数值模拟 负压下沉 内力分布

1.桶体安装施工过程

钢桶在现场安装过程中，打开桶顶上预制的排水阀，首先利用桶体的自重作用和外部压载作用，使其下沉到海床以下一定深度，在桶内空间形成密封条件，而后使用抽水泵和真空泵抽吸桶体内的水和空气。当压差足够大时，桶形基础就会在负压的作用不断压入土中，直至贯入到预设深度，其原理如图1所示。此外，当拆卸基础时时，通过对内部施加压力，可以相当容易地拆卸桶体。

圆柱壳结构的设计依据如DNV或欧洲规范标准。这些标准要求假设理想的边界条件，如固定、简支或自由。

1.1地质及桶体参数

根据地质剖面图钻孔，钢质桶安装土层物理学参数见表1，钢桶物理学参数见表2。

2.有限元计算模型

2.1桶体受力情况分析

本文采用9m、13m、17m三种埋深，9种工况进行分析。

（1）埋深9m

埋深9米极端低水位和极端高水位时，考虑最不利情况，可提供0.3个负大气压，埋深9m时桶体受力情况如图2所示。

（2）埋深13m

埋深13m与埋深9m受力情况基本相同，提供轴压围压更大，埋深13m时桶体受力情况如图3所示。

（3）埋深17m

当桶体全部进入土层 ，即埋深17m时，桶体已进入粉砂土层，桶内外围压近似抵消，埋深17m时桶体受力情况如图4所示。

2.2桶体模型计算域及边界条件的设置

地基土体尺寸选取时，在桶体承受荷载的前后两侧取其10倍的桶径，作为土体计算域的长度，桶底以下地基土体的高度取3倍桶径，地基土体模型见图5。针对桶体结构在实际工程中的受力情况，该有限元模型土体底面设置为固定边界;土体的外围设置为侧限边界。

3.有限元计算分析

3.1桶体应力分析

在有限元计算中，取不同埋深（H=9m，13m，17m）和不同水位（H=0m，1m，5m）的组合进行计算，不同情况下桶体受力情况如下。

（1）埋深為9m时，不同水位作用下桶体应力分析

埋深为9m时，桶下部嵌入淤泥中，其应力云图见图6所示。由图中可以看出，当桶体没于水下时，水位高低对于应力的分布有很大影响;并且可以看出，桶体轴向应力在土面以上基本不发变化，而在土面以下，轴向应力会逐渐减小;随埋深增加，径向应力逐渐减小且趋于稳定。

（2）埋深为13m时，不同水位作用下桶体应力分析

埋深为13m时，根据受力情况计算出不同水位下桶体受力情况见图7中，由图中可以看出，当桶体没于水下时，水位高低对于应力的分布有很大影响，水位增大，应力值明显增大;并且可以得出，随埋深增加，轴向会逐渐减小;桶体径向应力随埋深呈稳定趋势。

（3）埋深为17m时，不同水位作用下桶体mises应力云图

埋深为17m时，桶体全部嵌入土中，所受荷载为上部水压力见图8中，由图中可以看出，当桶体没于水下时，水位高低对于应力的分布有很大影响，水位增大，应力值明显增大;并且可以得出，随埋深增加，轴向会逐渐减小。

4.主要结论

本章主要通过分析桶体结构在现场安装过程中不同状态下的受力情况，提取出桶体应力沿桶长度方向的分布。主要结论如下：

对不同埋深下桶体进行实际工况下的模拟，可以得出，土面以上的桶体应力随深度变化较小，而土面以下应力值有减小趋势，可见，土体对桶体能起到加固作用。

比较不同工况下桶体整体应力分布，不难看出，随着桶体埋深增加，桶体应力值呈增大趋势，由此得到桶体不同受力情况下最不利的受力情况，即桶体全部埋入时，轴向受力最大。桶体在水面以上抽真空负压时，径向受力最大。

参考文献：

[1]Numerical buckling analysis of large suction caissons for wind turbines on deep water.

[2]DNV-RP-C202，Recommended practice：buckling strength of shells.Det NorskeVeritas，2010.

[3]EN 1993-1-6，Eurocode 3–design of steel structures–part 1–6：strength and stability of shell structures，1997.

[4]Eid H T.Bearing Capacity and Settlement of Skirted Shallow Foundations on Sand[J].International Journal of Geomechanics，2012，13（5）：645一652.