基于ALE方法的贯入桩周土大变形问题的研究

桩的工作性状是岩土工程中最不确定的问题之一,其中主要原因是对桩在打入加载过程中所造成的桩周土物理状态和应力状态的改变还不是很清楚,对其进行数值模拟时,需要考虑大变形、边界条件改变及桩、土接触问题,一般有限元法在网格剖分上不能解决大变形问题,在边界条件及桩、土界面处理方面不能很好的模拟实际情况。计算实例表明,基于ABAQUS的ALE(任意拉格朗日-欧拉法)方法有效的模拟了贯入时土体的应力变化情况,并得到以下结论:ALE方法能有效避免拉格朗日法有限元分析中网格畸变以及高度扭曲问题,与实际相符合,真实的反映了岩土工程中的弹塑性的变形情况,可以应用到岩土工程中的大变形问题中。以ALE方法为基础对CPT(静力触探试验)贯入试验进行有限元模拟对合理解释CPT的试验的结果是非常有效的。

对贯入桩模拟的方法研究

在使用大型通用软件ABAQUS模拟桩入土过程时,通常会遇到计算不收敛的问题.为避免这一现象,本文列举了两种方法:ALE(任意拉格朗日—欧拉法)方法和增加小刚性管方法,并按相应方法进行了数值模拟,得到了应力云图.本文通过对这两种应力云图的对比分析得到以下结论:ALE方法能更加有效地模拟贯入时土的应力-应变情况,能够真实地反映出岩土工程中弹塑性的变形情况,可以将其应用到岩土工程中的大变形问题中.该方法为下一步研究桩的挤土效应奠定了基础,为以后桩的动态贯入模拟带来了方便.

黏土中大直径钢圆筒在桩靴贯入时的稳定性研究

某在建水下生产系统附近有自升式平台的频繁桩靴插拔作业,采用了大直径薄壁钢圆筒作为水下生产系统的保护结构,因此钢圆筒在自升式平台桩靴插拔过程中的受力与变形备受关注。开展了离心模型试验,揭示了桩靴贯入过程导致的钢圆筒受力与变形规律;进而应用经离心试验验证的耦合欧拉与拉格朗日数值模拟方法,开展了筒-靴不同相对位置工况下,桩靴贯入对钢圆筒稳定性的影响分析。结果表明:桩靴贯入导致的筒壁附加应力及位移随筒-靴间距的增加而衰减,其衰减程度随筒靴间距的增加而减小,且由于筒靴间距的不同,钢圆筒对应存在两种受力模式。筒靴间距为2倍桩靴直径时,筒身附加应力可达110 MPa,表明桩靴对钢圆筒的影响距离可达2倍桩靴直径以上。

基于CEL有限元法的大管径钢管桩贯入海基过程的承载力分析

鉴于耦合欧拉-拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)有限元方法在计算分析接触大变形问题时的优势,建立了大管径钢管桩贯入海基的CEL有限元模型,即在被贯入的海基层采用欧拉有限元法建模,其它层采用拉格朗日有限元法建模,两者之间通过罚函数的接触算法进行耦合.在欧拉有限元模型中,采用算子分裂技术.为兼顾计算模型的精度和效率,本文先对模型的网格密度和贯入速度进行稳定性分析,以此确定合适的网格模型和适宜的贯入速度,同时验证CEL方法在贯入模拟中的可行性.随后针对不同土体类型和不同土体参数变化,探究土体贯入阻力随贯入深度的变化规律.计算结果表明砂土的贯入阻力最大,粉砂土次之,粘土的贯入阻力最小;且贯入阻力对土体内摩擦角的变化最为敏感,对土体粘聚力的变化比较敏感,而对土体模量的变化不敏感.

桩靴贯入对邻近三桶导管架基础的附加变形影响

为避免桩靴贯入过程中邻近三桶导管架基础发生倾覆破坏,利用耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)方法,将桩靴在真实风电场地质条件下安装过程中周围土体的流动划分为浅层贯入、邻近桶中部-桶底深度及完全穿越桶底等3个阶段,明确在各阶段“桩靴-周围土体-邻近桶”的传力机制,模拟三桶导管架基础系统的水平、竖向和转角位移响应,结果表明,随着净间距的增加以及场地分层土强度分布的增加,三桶导管架基础将产生更大的附加倾覆量。

海上风电安装船桩靴贯入对吸力桩的扰动分析

桩靴贯入对吸力桩的扰动正成为一个颇具挑战的工程问题。该文以国内某海上风电工程为背景,建立了三维桩靴-土体-桩基相互作用有限元模型,研究桩靴贯入对临近吸力桩的扰动,多角度评估插桩对邻近吸力桩的影响。结果表明,桩靴贯入会使邻近吸力桩产生附加荷载和位移,水平矢量位移最大仅为34.6 mm,影响很小;桩靴贯入引起的桩周土体的变形较小,且土体偏应变均小于5%;桩靴贯入引起的导管架的最大预期倾斜度很小,仅为允许值的6.2%,对导管架及吸力桩基础无威胁;吸力桩对桩靴贯入的扰动较不敏感。

桩靴贯入黏土层时邻近群桩相互作用分析

为研究钻井船插桩对邻近平台群桩相互作用的影响,采用耦合欧拉拉格朗日(CEL)方法对桩靴贯入黏土层时邻近群桩中各桩荷载分担比、桩头附加位移及两桩相互作用系数进行了分析。首先通过对缩尺模型试验的数值分析,验证了CEL方法的可行性;然后进一步分析了桩靴贯入黏土层时对邻近群桩相互作用的影响;最后探讨了净间距、桩间距对群桩相互作用的影响。结果表明,在桩靴贯入中,前桩的荷载分担比大于后桩,且桩靴贯入至一定深度后,当净间距越小或桩间距越大时,前桩的荷载分担比越大、后桩的荷载分担比越小,但各桩的荷载分担比随桩靴贯入深度增加时的变化规律不变;净间距越大,桩头附加位移及相互作用系数越小;在桩靴贯入时,由于受群桩遮拦效应的影响,桩头附加位移及相互作用系数随桩间距的变化规律同插桩前有所不同,当桩间距大于3倍桩径时,随桩间距的增加而减小,当桩间距小于3倍桩径时,随桩间距的增加而增大。

锤击贯入试桩法应用实例

“锤击贯入试桩法”是一种适用于桩基检测的动测方法;以一定质量的自由落锤(其锤击力足以引起试桩产生一定量的贯入)按不同落高锤击带有力传感器的桩顶,用光线示波器记录桩顶锤击力峰值F_(max),用两只精度为0.01mm的百分表量测贯入度DE。

打桩机在“锤击贯入试桩法”中的应用

50年代后期,雷蒙国际公司工程师史密斯(Smith)提出了一种应用波动方程对桩的打入性状进行分析的方法。波动方程法摒弃了将桩看成是刚性杆件的模式。

锤击贯入试桩法中输入实测力波的波动方程分析

本文在分析比较BOWLES、BF81等国内外波动方程计算程序的基础上，编制了一种输入桩顶实测力波的波动程序，结合福建省建筑科学研究院锤击贯入试桩法实测资料，进行分析计算，得出的单桩极限承载力可供生产部门参考。

灰土挤密桩桩土贯入机理研究

文章通过建立有限元模型,针对黄土路基处理后分析灰土挤密桩单桩贯入情况下桩周土的挤密效应及桩对土的挤密机理。考虑初始孔隙比,计算得到的最终应力平衡云图、不同时刻水平挤土位移沿深度的分布、不同时刻应力沿深度的分布。结果表明:深度特定的土体,在桩端到达对应深度前,竖向需持续加载,当桩端持续深入时,竖向荷载开始减少。圆孔扩展理论能够获得挤土后的最终径向挤土变形,但该理论仅适用深度较大的沉桩情况。竖向应力、径向应力、圆周应力均随打桩深度的增加而增加,在桩端的最大深度处应力值最大。

ALE方法评估黏土场地的自升式平台桩靴承载力

为研究自升式平台桩靴在黏土场地中的极限承载力,建立Abaqus桩靴-土模型,采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)方法对桩靴的贯入过程进行模拟,提出大值法、中值法、小值法等3种数据处理方法,并拟合桩靴承载力估算公式。将模拟计算结果与SNAME规范公式计算结果进行对比分析,对比结果证明ALE方法模拟桩靴贯入的可行性。为提高工程的安全性,提出对SNAME公式计算结果进行折减的具体公式,以使其与ALE小值法处理结果更吻合。

吸力锚基础在黏土中的贯入特性

【目的】研究带有局部加劲肋的吸力锚基础在黏土中的贯入特性。【方法】利用大变形有限元中的耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法,研究土体硬化软化效应、加劲肋的尺寸以及土体的参数对吸力锚贯入土体失效机理的影响。【结果】对大量数值仿真结果进行统计,获得在海洋地基中吸力锚基础沉桩时的土体流动特性,在加劲肋进入土体之后,加劲肋底部受挤压的土体绕过加劲肋垂直向上流到表面。随着贯入深度增加,加劲肋上方的土体的开始回流进空腔内(Hr),底部土体也绕过加劲肋发生旋转回流。当上部土体完全回流后,在回流的土体表面到原来的地表之间形成一定高度的空腔(Hc)。【结论】定量化评估了局部加劲肋对锚基础贯入时的土体流动机制的影响,得到加劲肋上部土体旋转回流高度和完全回流时形成的空腔高度的计算公式,据此能够准确了解其贯入机理。

双桩靴贯入对临近钢圆筒稳定性影响的数值分析

水下石油生产系统通常布置于海床上,其保护措施对生产系统的工作稳定性与安全性十分重要。根据实际海洋环境条件与水面航道要求,目前有工程创新性地采用大直径钢圆筒嵌入海床面一下作为水下生产系统的保护结构。对于此类型防护结构与工程应用,邻近自升式钻井船进行桩靴插拔作业时会对钢圆筒稳定性造成影响,带来安全隐患。现采用耦合欧拉与拉格朗日有限元数值方法对双桩靴贯入产生的钢圆筒扰动问题进行数值模拟分析。研究桩靴贯入过程中土体和钢圆筒基础的变形和应力变化,从而分析钢圆筒保护结构的稳定性与安全性。结果表明,钢圆筒筒壁附加应力及位移在初期随桩靴贯入深度增加而增大,达到峰值后趋于稳定;桩靴贯入到一定深度后,桩靴上部土体发生回流现象,导致对钢圆筒的影响降低;双桩靴对钢圆筒的影响随筒靴间距增大而减弱,但其影响范围较于单桩靴贯入有明显扩大。可为水下石油生产系统保护措施的设计与现场应用提供有效的参考依据。

自升式钻井船插桩对邻近平台桩基影响的评价方法探讨

自升式钻井船被广泛用于中、浅水域油气钻井、勘探开发或平台维修等海洋工程。通常,钻井船靠作业臂工作,由于其极限长度有限,所以钻井船作业时经常紧邻固定式导管架海洋平台。软弱土层中,钻井船就位时插桩深度较深,插桩过程中大量土体被排开,致使邻近平台桩基可能承受很大的附加荷载,这些附加荷载与桩基原有的荷载相叠加,很有可能超出其原有设计承载能力,引起严重的工程安全隐患和经济损失。如何可靠地评估自升式钻井船插桩对邻近导管架平台桩基的影响,从而优化钻井船定位并指导导管架平台桩基础的早期设计,是我国当前海上油气开发亟需解决的一个难点问题,迄今为止尚没有形成一种被广泛认可的方法。基于此,系统阐述了评价自升式钻井船插桩对邻近桩基影响的方法,包括模型试验、简化理论方法和数值方法,分析了现有方法中存在的问题,并对未来的研究方向提出了建议,供读者参考。

含石量对土石混合体压桩承载力影响的离散元分析

土石混合体是介于土体和岩体之间的一种非均质、非连续和非线性的特殊工程地质材料,其在压桩贯入过程中的承载力受含石量的影响非常显著。本文分别采用球形颗粒和非规则镶嵌组合颗粒模拟土体颗粒和块石,对不同含石量下压桩贯入过程进行离散元数值分析。计算结果表明,桩柱阻力及其波动规律在不同含石量下有很大的差别。高含石量下的阻力要明显大于低含石量下的阻力,且其波动性也更加明显。通过对土石混合体内部力链结构的细观分析,揭示了压桩贯入过程中承载力随含石量变化的内在机理。以上研究有助于分析土石混合体材料的宏观力学行为,深入研究其在复杂工程条件下的力学特性。

砂土及黏土场地钻井船插桩对邻近桩的影响

为研究黏土场地和砂土场地中桩靴贯入及拔出对邻近桩的影响,开展了2组在不同场地中进行插、拔桩靴的室内模型试验,分析了桩靴贯入、拔出过程中桩靴贯入阻力、拔出阻力、土体位移及桩身弯矩的变化规律。结果表明,黏土场地桩靴贯入阻力随桩靴贯入深度增加而增加,达到某一极限值后基本保持稳定;砂土场地桩靴贯入阻力随桩靴贯入深度呈线性增大。黏土场地中桩靴拔出阻力基本保持不变,在邻近泥面处突变,几乎减小为零;砂土场地中桩靴拔出阻力在初始阶段迅速增大然后迅速减小,达到最大值的一半后开始以一定的速率均匀减小,对比拔桩阻力的实测值与理论值,发现桩靴贯入土体后减小了土体强度。通过在土层中埋置土体位移测量装置,发现桩靴贯入在黏土场地的深度方向影响较大,砂土场地中则对水平方向影响较大;两种场地中均发生不同程度的回淤现象,且砂土场地更为明显。不同形式土体位移进一步导致不同的邻近桩响应,具体表现在黏土场地中桩身上部正弯矩较大,桩身下部负弯矩较小;在砂土场地中桩身上部正弯矩较小,桩身下部负弯矩较大;插桩过程中最大桩身弯矩逐渐增大,且发生位置逐渐下移,当桩靴贯入到一定深度后最大桩身弯矩基本保持不变;拔桩过程中砂土场地的邻近桩响应不明显,桩身弯矩出现轻微减小。研究结果可为钻井船平台桩靴计算竖向承载力和抗拔极限力提供依据,同时为评价不同场地中桩身响应提供技术参考。

基于ALE法分析桩靴插桩对邻近基桩承载力的影响

大型自升钻井船通常在距采油平台较近的区域内工作,因此桩靴的贯入过程对邻近基桩的变形及承载能力可能会造成一定程度的影响。首先研究了利用动力算法计算基桩承载力的可行性,并将结果与静力算法和API规范计算方法进行比较;之后采用了ALE方法模拟了桩靴的贯入过程,揭示了土体强度、ALE模型边界尺寸、网格尺寸和土体弹性模量对桩靴最大贯入深度的影响,并确定出最优的计算方案。结合上述分析,采用最优计算方案研究了桩靴贯入对基桩承载力的影响程度,分析桩靴贯入对不同间距邻近基桩承载力的影响。分析认为,桩的径向网格数量取8、桩四分之一周方向网格数量取4、加荷速度控制在0.1 m/s时可以在准确计算基桩竖向承载力的同时最大限度节省计算资源;桩靴贯入后,基桩承载力会在一定程度上上升,上升程度随桩靴和基桩间距的增加而降低。

基桩动测承载力数值分析及应用

为了在理论上采用一种合理分析基桩动测承载力的方法,应用有限差分数值计算方法和波动理论,并基于Bowles方法的基础上,对该分析方法进行改进,采用FORTRAN软件编写分析程序计算基桩动测承载力。通过试验实例计算分析,得出该程序计算结果与静载试验结果基本吻合,说明采用该方法分析基桩动测承载力具有一定的合理性,对预测基桩动测承载力具有一定的使用价值。