基于CEL法的海洋土体中桩基自沉及稳定性分析

沈学明 中铁第四勘察设计院集团有限公司

彭芬 江西省港航设计院有限公司

海洋工程桩基沉桩基过程中，施工环境复杂恶劣，水平向的海流、波浪、大风等作用的存在，使得沉桩过程中出现倾斜偏位等质量事故；此外，在沉桩施工置锤瞬态过程，使用的打桩锤质量大、能量高，又使得桩基易出现屈曲失稳的安全事故。因而准确预测桩基的自沉深度、倾斜度及稳定性等安全施工的关键所在。

本文依托我国南海某海洋平台工程，考虑现场地质条件、工况组合，采用CEL法建立海洋软土中桩基动力沉桩过程的数值模型，分析桩基在自重、锤重载荷与水流力载荷下自沉深度、倾斜度及稳定性，为该工程的设计与施工提供一定的指导意见。

1.工程概况及动力沉桩技术要求

1.1 工程概况

某海洋平台位于南海，采用钢管桩作为基础结构，桩基基本规格如表1所示。该海域地质情况如表2，平均水深20m，平均水流速度：0.5m/s。

1.2 动力沉桩技术要求

海洋桩基平台动力沉桩问题是一个涉及动力学、结构力学、土力学等多学科领域的综合、复杂、系统的研究课题。本文研究过程中考虑沉桩施工流程以及施工控制指标。为确保沉桩安全，合理预估施工控制参数，本文主要从以下几方面展开分析：桩基的自沉深度分析计算与稳定性分析、桩基在锤重载荷下的下沉深度与稳定性分析计算、计算分析锤入10m进尺期间的稳定性。

表1 桩基基本参数

表2 天然地基设计参数表

桩基满足最小稳定性要求：桩基不发生屈曲破坏，最终倾角≤1.25°。

1.3 CEL法技术模拟桩土作用

CEL法是ABAQUS中分析流固耦合的关键技术，它吸取了拉格朗日网格与欧拉网格的优点，有效的解决了有关大变形和材料破坏的等诸多问题。

目前，CEL方法已经被广泛应用于分析岩土工程中土-结构耦合作用的大变形问题。肖正龙基于CEL方法模拟了静压法沉桩的全过程；Chen等利用CEL大变形有限元计算技术，在均质黏土中，系统考察了土体密度、杨氏模量对方形锚板极限承载力的影响；霍知亮等采用CEL法对黏土中的海底管线与土体之间的大变形问題进行了模拟研究等。可见，CEL法在模拟桩基下沉贯入分析时计算结果的准确性具有一定的优势。

2.数值分析模型

2.1 模型建立

本文所建立的有限元模型主要包括：桩体和土体两部分。建立土体模型时，考虑到土体的边界效应，同时参考相关已有文献，土体的直径取桩径的10倍尺寸即：4.5m，土体深度方向尺寸取：45.8m，土体的材料模型选用：摩尔库伦本构模型。

单元划分时，对本文所建立的有限元模型：桩体和土体两部分，进行独立划分，桩体采用C3D8r单元来模拟，土体采用欧拉单元EC3D8r来模拟。不同组件的单元划分情况如表3所示，桩体单元和土体单元如图1所示。

设置分析载荷步时，选用显示动力分析载荷步，桩体与土体之间采用“面面接触”来实现它们之间的相互作用。

2.2 桩基自沉深度计算

在进行桩基自沉深度计算时，土体的边界条件为：约束土体侧面的经向自由度，约束土体底面的所有自由度，加载条件为：对桩体施加自重荷载。

经计算，桩体在自重荷载作用下，在土体中发生下沉：下沉速度随时间的增加逐渐增大，当t=8s时，桩体下沉速度达最大，最大速度v=1m/s，由于桩体受到土体的摩阻力作用，当t=8s之后，桩体下沉速度随时间的增加而逐渐减小，当t=16s时，桩体下沉速度达v=0.01m/s，当t=20s时，桩体下沉速度几乎为零；桩体的竖向位移随时间的增加逐渐增大，t=0～8s之间时，位移增加的幅度随时间的增加逐渐增大，t=8～16s之间时，位移增加的幅度随时间的增加而逐渐减小，t=16～20s之间时，桩体的竖向位移几乎达到一恒定值保持不变，可见，此时桩体已下沉稳定。

由图2可知，桩体在自重载荷下，最终沉降量为：10.67m。

2.3 桩体在锤重和水流荷载作用下的稳定性计算

在桩体自沉稳定计算的基础之上，进行桩体在锤重和水流荷载作用下的稳定性计算，土体的边界条件为：约束土体侧面的经向自由度，约束土体底面的所有自由度，加载条件为：对桩体施加自重荷载，在桩顶施加60T重的锤重荷载和水流荷载。

对于水流荷载，水流荷载是钢管桩承受的环境荷载之一，采用《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）的规范进行水流荷载的计算，计算公式如下：

上式中：FW是水流力标准值；CW是水流阻力系数，取值1.0；ρ是水密度，海水取值1025kg/m3；V是水流设计流速，本计算海域情况取值0.5m/s；A是计算构件在与流向垂直平面上的投影面积。

本文中的模型在进行计算时，将水流荷载作用在桩体的侧表面，按均布面荷载考虑。

计算结果：桩体在锤重和水流荷载作用下，桩体顶端的最大水平侧移量为：0.406m（桩体的水平位移云图如图3所示），此时的倾斜角为：0.392°〈1.25°。故在倾斜稳定性方面满足技术要求。

2.4 桩体在锤击荷载下进尺10m时的稳定性计算

桩体在锤击荷载下进尺10m时，进行桩体在锤重和水流荷载作用下的稳定性计算，土体的边界条件为：约束土体侧面的经向自由度，约束土体底面的所有自由度，加载条件为：对桩体施加自重荷载，在桩顶施加60T重的锤重荷载和水流荷载。

计算结果：桩体在锤击荷载下进尺10m时刻，桩体在锤重和水流荷载作用下，桩体顶端的最大水平侧移量为：0.17m（桩体的水平位移云图如图4所示），此时的倾斜角为：0.2°＜1.25°。故在稳定性方面满足要求。

表3 不同组件的单元划分情况

图1 桩体及土体有限元模型

图2 桩体自沉的竖向位移云图

图3 锤重和水流荷载作用下桩体的水平位移云图

图4 桩体在锤击荷载下进尺10m时的水平位移云图

3.结论

本文从工程应用的角度出发，采用CEL法模拟海洋软土中细长桩基自沉及在打桩锤锤击过程中桩基的下沉与屈曲稳定性，为工程建设提供必要的参考。得出的主要结论如下：

（1）桩体在自重荷载作用下，在土体中发生下沉，下沉速度随时间的增加逐渐增大，当t=8s时，桩体下沉速度达最大，最大速度v=1m/s，由于桩体受到土体的摩阻力作用，当t=8s之后，桩体下沉速度随时间的增加而逐渐减小，当t=16s时，桩体下沉速度达v=0.01m/s，当t=20s时，桩体下沉速度几乎为零。桩体的竖向位移随时间的增加逐渐增大，t=0～8s之间时，位移增加的幅度随时间的增加逐渐增大，t=8～16s之间时，位移增加的幅度随时间的增加而逐渐减小，t=16～20s之间时，桩体的竖向位移几乎达到一恒定值保持不变，可见，此时桩体已下沉稳定，桩体在自重载荷下，最终沉降量为：10.67m。

（2）桩体在锤重和水流荷载作用下，桩体顶端的最大水平侧移量为：0.406m，此时的倾斜角为：0.392°＜1.25°，所以可知，在稳定性方面满足要求。

（3）桩体在锤击荷载下进尺10m时刻，桩体在锤重和水流荷载作用下，桩体顶端的最大水平侧移量为：0.17m，此时的倾斜角为：0.2°＜1.25°，所以可知，在稳定性方面满足要求。