一种适用于模拟插桩作业对邻近结构物影响的拟静力计算方法

1.本发明属于数值模拟技术领域，具体涉及一种适用于模拟插桩作业对邻近结构物影响的拟静力计算方法。


背景技术：

2.经济的快速发展往往伴随着能源的大量消耗，而陆上油气资源的开发程度很高，已探明的可开发油气资源越来越少。相比之下，海上油气资源较为丰富，因此大规模开发海上油气资源已成必然趋势。自升式钻井平台属于海洋移动平台，具有定位能力强、作业稳定性好的优势，在海洋油气资源勘探开发领域中的应用越来越广泛。自升式钻井平台的桩靴直径一般在10～20m之间，钻井作业时桩靴的插拔会排开大量土体，土体的移动势必会对周边平台基础或水下防护结构等产生不利影响，危害设施安全，如何评估自升式钻井平台插拔桩作业对邻近结构物的影响成为近年来的研究重点。
3.目前，常用的研究桩靴插拔对邻近结构物影响的数值分析方法主要是基于abaqus数值分析软件的耦合欧拉-拉格朗日(cel)方法。cel方法主要用来做流固耦合仿真或者大变形仿真，其在解决桩靴插拔对邻近结构物的影响问题时，存在三个缺陷：
①
无法准确处理插桩对周边开挖坑槽等孔穴结构的影响。现有cel方法中一般在欧拉土体上方10m范围内设置空穴，为桩靴插拔过程中土体向上隆起变形提供空间，插桩作业时土体不断向上方空穴流动。但若土体存在开挖结构，其在开挖处需将欧拉土体也设置为空穴，此时土体流动机制改变，甚至会出现时间效应，影响邻近结构物的应力和变形。
②
由于cel方法原理是计算过程中空间网格的形状、大小和位置保持不变，土体在网格间不断流动，因此使用cel大变形算法计算得到的承载力曲线不稳定，得到的邻近结构物变形结果偏大。
③
cel算法计算效率低，耗时较长。
4.针对以上问题，以柱孔扩张理论为依据，基于abaqus中的静力分析，提出了一种分析插桩作业对邻近结构物影响的有限元分析方法，此方法可考虑存在开挖坑槽等孔穴存在时桩靴插拔对周围土体及结构物的影响，且采用静力分析方法，计算耗时短，有效解决了计算效率低的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的旨在提供一种适用于模拟插桩作业对邻近结构物影响的拟静力计算方法，该方法依据柱孔扩张理论，将桩靴贯入过程对周围土体的作用力简化为作用在桩靴下压深度处的基底压力和作用在土体侧壁的扩孔张力，并使用abaqus中的单元生死功能，实现静力法对桩靴连续贯入过程的模拟，进而准确评估实际工程中水下结构受桩靴插拔作用的影响。
6.本发明所采用的技术方案：
7.一种适用于模拟插桩作业对邻近结构物影响的拟静力计算方法，其具体计算步骤
为：
8.s1、根据分析工况，建立对应的有限元分析模型，具体包括：土体模型和水下结构模型，土体模型划分为三个区域，包括：桩靴下压导致的柱孔区、水下结构的开挖区和影响区，桩靴直径即柱孔区的直径为d1，桩靴贯入深度即柱孔区的深度为d，开挖区直径为d2，开挖区的深度为h，影响区的宽度为≥10d1，影响区的深度为≥10d；水下结构模型的外径为d2，水下结构模型的高度为h，水下结构模型的壁厚为t。
9.s2、建立土体材料属性和水下结构材料属性，并将其分别赋予土体模型与水下结构模型。
10.s3、根据计算工况，将水下结构模型与土体模型装配至一起，形成装配体，需设置的参数包括：桩靴与水下结构模型之间的距离和水下结构模型的埋置深度。
11.s4、建立数值分析模型的计算分析步。共建5个分析步，包括：地应力分析步、水下结构安放分析步、水下结构开挖分析步、柱孔区形成分析步和柱孔区扩张分析步。
12.s5、建立相互作用。首先建立水下结构与土体的接触属性，一般采用面面接触。然后使用相互作用中的单元生死功能，模拟水下结构的安放与内部土体开挖过程及桩靴下压产生柱孔区的过程。具体步骤为：使用单元生死功能将水下结构在地应力分析步设置为无效，并在水下结构安放分析步设置为重激活；将水下结构开挖区在开挖分析步设置为无效，以模拟该区域土体的开挖；将柱孔区在柱孔形成分析步中设置为无效，以模拟该区域土体由于桩靴下压形成柱孔区。
13.s6、建立模型的边界条件。对土体模型设置合理的位移边界，包括：土体底部全约束、土体侧面放开沿深度方向的位移，其余全约束、土体顶面约束沿深度方向的位移。
14.s7、建立荷载条件。包括：
①
在地应力分析步中对全部土体施加重力。
②
在水下结构安放分析步中对水下结构施加重力。
③
在柱孔区扩张分析步中对区域内底部土体表面施加等同于基底压力大小的压强。
④
在柱孔区扩张分析步中对区域内侧向土体表面施加等同于扩孔力大小的压强。
15.s8、对土体施加地应力场。
16.s9、对土体模型及水下结构模型进行网格划分。
17.s10、提交作业进行计算。
18.本发明具有的优点和积极效果是：
19.1、考虑了水下结构开挖过程，将土体划分为桩靴下压导致的柱孔区、水下结构的开挖区、影响区三个区域进行分析，依据柱孔扩张理论，将桩靴贯入过程对周围土体的作用力简化为作用在桩靴下压深度处的基底压力和作用在土体侧壁的扩孔张力，进而准确计算实际工程中插桩作业对邻近结构物变形及应力的影响。
20.2、运用abaqus有限元软件，采用静力分析步，计算效率高，耗时短，计算水下结构变形和应力数值可靠，计算结果与离心机试验结果吻合较好，可以有效解决实际工程中的问题。
21.3、综上所述，本发明符合工程实际，方法简单明确，易于计算。
附图说明
22.图1是土体模型区域划分示意图。
23.图2是柱孔扩张示意图。
24.图3是环肋相对位置示意图。
25.图4是有限元网格划分示意图。
26.图5是离心试验钢圆筒位移及应变片测点布置图。
27.图6是钢圆筒筒身应变离心试验与数模结果对比图。
28.图7是钢圆筒筒身位移数值计算云图。
29.对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
30.为了进一步表述本发明的内容、计算效果，结合附图列举如下实例进行说明：
31.实施例1
32.s1、根据分析工况，建立对应的有限元分析模型，具体包括：土体模型和钢圆筒模型。并将土体模型划分为三个区域，包括：桩靴下压导致的柱孔区、钢圆筒内部开挖区和影响区。桩靴直径即柱孔区的直径为d1，桩靴贯入深度即柱孔区的深度为d，开挖区直径为d2，开挖区的深度为h，影响区的宽度为≥10d1，影响区的深度为≥10d；水下结构模型的外径为d2，水下结构模型的高度为h，水下结构模型的壁厚为t。
33.在该步骤中，算例参数如下，桩靴直径d1＝18m，桩靴贯入深度d＝3m；邻近水下结构为大直径薄壁钢圆筒，其直径d2＝28m，高度h＝18m，钢圆筒筒壁和横肋为q345b型钢材，钢圆筒上环肋厚度为25mm，环肋宽度为260mm，环肋相对位置图如图3所示，钢圆筒边缘距离桩靴边缘为0.8d1；土体为均质黏土，钢圆筒筒内土体开挖深度h＝9.2m，具体的钢圆筒及土体参数如表1所示。
34.表1计算参数表
[0035][0036]
s2、建立土体材料属性、钢圆筒材料属性，并将其分别赋予土体模型与钢圆筒模型。
[0037]
s3、根据计算工况，确定桩靴与钢圆筒距离为0.8d1，钢圆筒埋置深度h为18m，将钢圆筒模型与土体模型装配至一起，形成装配体。
[0038]
s4、建立相对应的计算分析步(静力、通用)，包括：地应力分析步、钢圆筒安放分析步、钢圆筒开挖分析步、柱孔区形成分析步、柱孔区扩张分析步。
[0039]
s5、建立相互作用。首先建立钢圆筒与土体的接触属性，采用面面接触，法向行为设置为“硬”接触，切向行为罚函数为0.4。然后使用相互作用中的单元生死功能，模拟钢圆筒的安放与内部土体开挖过程及桩靴下压产生柱孔区的过程。具体步骤为：使用单元生死
功能将钢圆筒在地应力分析步设置为无效，并在钢圆筒安放分析步设置为重激活；将钢圆筒内部开挖区在开挖分析步设置为无效，以模拟该区域土体的开挖；将柱孔区在柱孔形成分析步中设置为无效，以模拟该区域土体由于桩靴下压形成柱孔区。
[0040]
s6、建立模型的边界条件。对土体模型设置合理的位移边界，包括：对土体侧面进行位移约束，1方向和2方向设置为0；对土体底面设置位移约束，1方向、2方向、3方向均设置为0；对土体顶面设置位移约束，3方向设置为0。
[0041]
s7、建立荷载条件。包括：
①
在地应力分析步中对全部土体施加重力，竖向分量设为10。
②
在钢圆筒安放分析步中对钢圆筒施加重力，竖向分量设为10。
③
在柱孔区扩张分析步中对区域内底部土体表面施加等同于基底压力大小的压强，具体数值为220kpa。
④
在柱孔区扩张分析步中对区域内侧向土体表面施加等同于扩孔力大小的压强，荷载分布形式沿深度方向为矩形分布，最大值大小由图2中柱孔扩张理论推导求得。根据柱孔扩张理论解，土体满足下述平衡微分方程：
[0042][0043]
桩靴在黏土中的贯入过程为不排水过程，土体材料服从tresca屈服准则，即：
[0044]
σ
r-σ
θ
＝2k
ꢀꢀꢀ
(2)
[0045]
式中：k为tresca常数，k＝su。
[0046]
联立式(1)和式(2)，并代入相应边界条件后积分可得：
[0047][0048]
式中：ir为刚度指数，其表达式为g为土体的剪切模量，su为土体的不排水强度；pu为扩孔张力，代入后可得本算例扩孔张力pu为280kpa。
[0049]
s8、对土体施加地应力场以平衡地应力，由于土体高度为40m，因此土体底部地应力值为-380kpa。
[0050]
s9、对土体模型及钢圆筒模型进行网格划分。土体及钢圆筒模型均采用实体单元模拟，网格属性为六面体单元c3d8r，网格加密区内网格尺寸为0.05d1。桩靴一倍直径范围外受影响较小，因此网格选用单精度，网格尺寸为0.05d
1-0.2d1，具体的网格划分方式见图4。
[0051]
s10、提交作业进行计算。
[0052]
实施例2
[0053]
本实施例针对算例工况开展了筒靴间距为0.8d1时桩靴贯入对邻近钢圆筒结构影响的离心机模型试验。试验用离心机为tk-c500型土工离心机。试验中按1：100的缩尺参照算例工况建立桩靴及钢圆筒模型。离心机试验能较为准确地测量筒壁应变及位移。试验时，为测量钢圆筒变形，在钢圆筒顶面布置四个位移测点f1-f4，测点数据由激光位移传感器采集，具体布置方式如图5(a)所示；在钢圆筒外壁沿环向方向每隔45
°
设置一组应变片，依次编号为1-8号，应变片为bx120-2aa型，具体布置方式如示意图5(b)所示。具体的土体制备方法及试验加载过程可参见文献：张海洋,刘润,贾沼霖.自升式平台插桩对邻近平台桩基础
的影响研究[j].岩土工程学报,2021,43(05):867-876。
[0054]
图6为使用本方法计算得到的受桩靴插拔影响邻近钢圆筒筒身应变结果与离心机试验结果对比图。由图6可以看出本发明提出的方法与离心机试验结果吻合较好，能较准确地考虑桩靴插拔对邻近结构物应力应变的影响。本方法计算得到的钢圆筒筒身位移云图如图7所示，其位移在钢圆筒顶部筒靴连线位置处达到最大，位移变形模式与离心机试验结果相同。具体数值与离心机试验结果对比如表2所示，由表2可知，数值计算位移结果与离心机试验位移结果相差1.70％，可见本发明提出的方法能较好地模拟桩靴插拔对邻近结构物位移的影响。
[0055]
表2钢圆筒筒身位移对比
[0056][0057]
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。