基于CEL法的海洋自升式平台插桩研究*

张湖宾 陈 晨

（江苏科技大学机械工程学院 镇江 212003）

1 引言

本文选取有限元方法来研究桩靴[1～3]的插桩，对比分析CEL方法在模拟桩靴插桩作业的优点。相较于传统有限元法，CEL计算结果更容易收敛且更加准确。数值计算[4～5]的优点在于它在计算中考虑到很多常规计算公式规范中没有考虑到的问题，比如海洋中地质土层的不确定性、土体回流[6～9]情况、桩靴的结构外形、穿刺问题等。

通过比例试验验证CEL数值方法的可靠性。建立四个等比缩放的桩靴模型，在上砂下黏[10～14]土体条件下进行模拟插桩。

探究裙摆型桩靴以及开孔型桩靴相较于普通桩靴在插桩过程中的区别；接着深入研究裙摆长度对于桩靴插桩的阻力变化，在裙摆长度不超过桩靴底部最下端时，发现裙摆长度对插桩整体阻力影响不明显；比较开孔不同半径的四孔、六孔、八孔的桩靴对于插桩的影响。

2 插桩试验验证

2.1 桩靴模型制备

进行插桩试验主要用以验证CEL法代替试验的可行性，制作了四个底部形状不同的桩靴模型。

如图1（a）、（b）、（c）、（d）所示，所用缩比模型均为实际桩靴的1/100，探求桩靴底部加裙摆、开贯穿孔在上砂下黏土土基条件下的承载力大小以及穿刺风险等研究。

图1 不同结构的桩靴模型

2.2 CEL法模拟与试验结果对比分析

通过对四种不同结构的桩靴进行小比尺试验，得出了在“上砂下黏”双层土基[15]下插桩阻力随插桩深度[16～17]的变化曲线。并与相应的 CEL 数值仿真的结果进行对比，以此来验证CEL数值仿真的可行性。下图四个桩靴模型分别为普通型桩靴，用P简化表示，开四孔型桩靴用S4简化表示，开六孔型桩靴用S6简化表示，裙摆型桩靴用Q简化表示。这里采用的桩靴最大横截面直径D为60mm。

图2表示普通型桩靴在试验和数值模拟中插桩深度阻力变化曲线对比图，图3表示开四孔型桩靴在试验和数值模拟中插桩深度阻力变化曲线对比图。图4表示开六孔型桩靴在试验和数值模拟中插桩深度阻力变化曲线对比图。图5表示裙摆型桩靴在试验和数值模拟中插桩插桩深度阻力变化曲线对比图。

图2 普通型桩靴插桩深度阻力曲线

图3 开四孔型桩靴插桩深度阻力曲线

图4 开六孔型桩靴插桩深度阻力曲线

图5 裙摆型桩靴插桩深度阻力曲线

试验曲线和仿真数值分析曲线存在一定的误差，这可能是由于在试验过程中土壤[18～19]的不排水抗剪强度的测量不准确，包括土体弹性模量以及摩擦角、黏聚力的测量有一定的误差，因此插桩阻力随深度变化的曲线的实验值和数值仿真分析值具有一定的差异，但是可以很明显地看到，经过多次试验四种不同结构的桩靴和数值仿真曲线的趋势大致相同，故本次试验可以由仿真进行替代，为下文的分析提供了验证基础。

3 不同桩靴结构的仿真分析

上文验证了CEL方法替代试验的可行性，下面将对不同形状的桩靴在上砂下黏地基条件下进行研究。通过改变桩靴底面轮廓[20]、裙摆长度和桩靴开孔的数量来优化基础形状。

3.1 数值仿真研究模型

本文桩靴裙摆的长度选取L≤0.2D，裙摆长度不超过桩靴最底端。当裙摆长度超过0.22D时，导致裙摆桩靴在插桩时裙摆的端承优先贯入土体，因此本文选取裙摆长度小于等于0.2D进行研究。

由于过大的开孔面积会影响桩靴自身强度，出于桩靴自身强度的考虑，本文选取开孔数N分别为4、6、8。建立的裙摆不同长度几何模型分别由图6所示。图7表示不同开孔数的桩靴几何模型。

图6 不同裙摆长度桩靴几何模型

图7 不同开孔数的桩靴几何模型

3.2 数值仿真结果分析

下面将对数值模拟分析的结果进行讨论分析，分别绘制出插桩阻力随深度的阻力变化曲线。

由图8可以发现不同裙摆长度与普通型桩靴插桩阻力对比有一定明显的区别，裙摆的长度对插桩阻力随深度变化曲线可以归纳为：桩靴刚进入砂土层时，裙摆长度对插桩阻力的影响不是非常明显。随着裙摆长度的增加，裙摆达到阻力峰值的时间几乎相等，之后阻力呈现降低的趋势。当裙摆长度为12mm（0.2D）时，裙摆的峰值阻力520N，比其它裙摆长度的峰值阻力略大，但总体上来说没有明显区别。同时发现裙摆长度对于发生穿刺距离的影响不大。随着插桩的进行，下部的土塞存留在桩靴底部，当插桩距离的增加，残留的土体受到挤压并且压实要一定程度，裙摆桩靴的阻力增加的更快。

图8 不同裙摆长度随插桩深度的阻力变化曲线

从图9可以看到不同开孔数量的桩靴随深度变化曲线大致相同，开孔数的不同并没有对插桩规程土体的流动造成很大影响。在上面分析了开四孔型桩靴在插桩作业时砂土没有穿过孔洞，堵塞孔洞并被不断压实，填实后的插桩曲线与普通桩靴类似。由上诉插桩曲线可知其他开孔数量的桩靴在插桩过程中孔洞均被堵塞，因此不同开孔数桩靴插桩曲线相似。在插桩前期，虽然效果不明显，但是依然可以看到开孔型桩靴插桩阻力随开孔数的增大而减小，这有利于桩靴的入泥。开孔对于自升式钻井平台穿刺距离产生积极意义，在实际设计中可以把开孔作为设计桩靴来优化的一种思路。

图9 不同开孔数随插桩深度的阻力变化曲线

4 结语

本文主要研究桩靴底部形状在插桩过程中的影响。通过缩比试验验证了CEL法的可行性，分析对比试验与仿真的误差性。发现然后通过CEL数值仿真展开对裙摆桩靴的长度、壁厚以及开孔桩靴的孔数进行深入研究。得出了以下结论.

1）桩靴外加裙摆在上砂下黏的土体条件下，裙摆桩靴达到峰值阻力更快，并且发生穿刺的距离程度更小。因此外加裙摆对降低穿刺的风险产生积极的影响，并且可以提高桩靴插桩的稳定性。

2）桩靴底部开贯穿孔使桩靴在穿刺风险上产生正面效果，在插入土体初期阻力更小，方面快速入泥，在插入到一定深度后因插桩泥土困在孔洞中，并被不断压实，带来了更大的插桩阻力。

3）针对裙摆长度不超过桩靴最底端，桩靴裙摆长度对插桩阻力曲线的影响不明显，过长的裙摆设计对桩靴的牵引带来不利影响，在桩靴设计时结合裙摆有益影响，选取合适长度进行设计。

4）桩靴底部开不同数量的贯穿孔对插桩阻力随深度变化的整体趋势影响不明显，开孔洞并没有像一开始预想的一样，在插桩过程中土壤没有穿过孔洞，而是被困在其中并在插桩的过程中不断被压实，导致阻力的增大。