CN110321569B - 一种适用于桩靴插拔对临近桩基影响的数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于桩靴插拔对临近桩基影响的数值模拟方法，该方法包括以下步骤：S1、根据实际工况，建立数值计算分析模型，包括：土体模型、桩靴基础模型、桩基础模型，所述土体模型包括欧拉区域与拉格朗日区域；S2、对所建立的模型赋材料属性；S3、对建立模型进行装配；S4、建立相对应分析步；S5、建立桩靴基础模型、桩基础模型、土体模型间的相互作用；S6、建立合理的边界条件；S7、对欧拉区域的土体进行材料属性指派以及对该土体施加地应力场；S8、对建立的所述数值计算分析模型进行网格划分并提交计算，得到桩基础模型的位移和弯矩的结果。本发明符合工程实际，方法简单明确，易于计算，所涉及参数容易确定且可靠。

Description

一种适用于桩靴插拔对临近桩基影响的数值模拟方法
技术领域
本发明属于数值模拟技术领域，具体涉及一种适用于桩靴插拔对临近桩基影响的数值模拟方法。
背景技术
近年来，国内经济的快速发展带来了大量的能源需求，且国内的陆地油气资源开发程度已经很高，陆上可开采能源越来越少，大规模的海上油气资源开发成为了发展的必然趋势。钻井船钻井过程中，需要在临近桩基平台附近将大直径桩靴贯入至海床泥面以下一定深度，为钻井船作业提供必要的承载力，这就不可避免对临近桩基产生不利影响，甚至危害平台安全。在钻井船就位时，插桩的深度往往会超过10m，尤其是在大尺寸桩靴插入时，某些桩靴的最大横截面直径可达18m，此时排开的土体量就相当可观，这些被排开的土体不可避免的会导致临近桩基承受挤压荷载和相应的弯矩以及剪力。因此，对于插桩施加于相邻桩基的影响进行定量评价就显得尤为重要了。
当今国内外对于该项研究的进展不足，并且往往局限于模型试验这一领域，现有成果虽然对实验数据进行了总结也模拟出了一些经验关系式，但受限制于实验条件也由于离心模型试验的复杂性和过高的实验成本，基于现有试验模型的研究往往只能模拟较为简单的土层中的桩靴插拔对临近桩基的影响程度，无法开展大规模的复杂化的模型试验。
近年来，随计算机硬件不断提提高和有限元分析技术不断完善，为使用数值方法来模拟桩靴插拔对临近桩基础影响提供了可能。现在常用耦合的欧拉-拉格朗日方法模拟桩靴插拔对临近桩基础的影响，计算模型示意如附图1所示，欧拉土体与拉格朗日土体分界线以上为欧拉土体，以下为拉格朗日土体。该方法计算桩基础桩身变形与桩身弯矩时依赖欧拉土体与拉格朗日土体界限的选取，不同的界限选取计算结果会相差很大，因此具有一定的局限性。
上述现有技术存在以下缺点；
1、采用离心模型试验成本过，流程复杂，难以大规模开展；
2、常规有限元计算模拟局限性高，结果不稳定。现有技术的细致描述。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于桩靴插拔对临近桩基影响的数值模拟方法，该适用于桩靴插拔对临近桩基影响的数值模拟方法能够准确评估实际工况中桩靴插拔对临近桩基的影响。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种适用于桩靴插拔对临近桩基影响的数值模拟方法，所述方法使用ABAQUS数值分析软件中的CEL有限元法计算方法，包括以下步骤：
S1、根据实际工况，建立数值计算分析模型，包括：土体模型、桩靴基础模型、桩基础模型，所述土体模型包括欧拉区域与拉格朗日区域两部分，所述欧拉区域建模原则为：整个所述土体模型均设为所述欧拉区域，将所述欧拉区域分割成三部分，第一空穴、第二空穴和所述桩靴基础模型的插拔计算区域，所述第一空穴为所述桩靴基础模型在插拔过程中土体向上隆起变形提供空间，所述第二空穴为嵌放所述拉格朗日区域提供空间；所述拉格朗日区域建模原则为：所述拉格朗日区域与欧拉区域的所述第二空穴的大小与形状一致，用于计算所述桩靴基础模型在插拔过程中导致所述桩基础模型的位移和弯矩响应，所述欧拉区域与所述拉格朗日区域纵向界线的选取原则为：所述纵向界线至所述桩靴基础模型的相邻边缘与所述纵向界线至所述桩基础模型的相邻边缘距离相等；
S2、对所建立的所述数值计算分析模型赋材料属性；
S3、根据实际工况，对建立的所述数值计算分析模型进行装配，装配中的主要变量有：所述拉格朗日区域嵌放至所述欧拉区域中；所述桩基础模型在土中的埋置深度；所述桩靴基础模型与所述桩基础模型的间距；
S4、建立相对应动力显示分析步，包括：地应力分析步、所述桩靴基础模型贯入分析步、所述桩靴基础模型拔出分析步；
S5、建立所述桩靴基础模型、所述桩基础模型、所述土体模型间的相互作用，包括：所述桩靴基础模型插拔过程中与所述欧拉区域的土体间的通用接触，所述桩基础模型与所述拉格朗日区域的土体间的面面接触；
S6、建立合理的边界条件，包括：(1)对土体施加重力；(2)对所述欧拉区域的土体设置相对应的速度边界与欧拉边界，对所述拉格朗日区域的土体设置对应的速度边界，对所述桩基础模型设置对应的速度边界，对所述桩靴基础模型设置对应的贯入速度；
S7、对所述第一空穴和所述第二空穴的材料赋值设定为“空”；对所述桩靴基础模型的插拔计算区域的土体材料赋予相对应的材料属性；对该土体施加地应力场；
S8、对建立的所述数值计算分析模型进行网格划分并提交计算，得到所述桩基础模型的位移和所述桩基础模型的弯矩结果。
上述技术方案中，所述材料属性包括：质量密度，杨氏模量，泊松比，摩擦角，膨胀角中的一项或多项。
上述技术方案中，所述第一空穴的高度范围要大于桩靴插拔周围土体隆起高度，保证计算的收敛性。
上述技术方案中，为了兼顾计算时长与计算精度，所述桩靴基础模型设置对应的贯入速度，所述桩靴基础模型的贯入速度设定为8m/s。
上述技术方案中，为了兼顾计算时长与计算精度，所述网格划分的原则为：所述桩基础模型周围土体网格尺寸为所述桩基础直径的0.25倍；所述桩靴基础模型周围土体网格尺寸为所述桩靴基础的0.1倍。
本发明的优点和有益效果为：
1、使用ABAQUS数值分析软件中的CEL有限元法计算方法，将分析的土体区域分为欧拉区域与拉格朗日区域。欧拉有限元对是对空间的离散，计算过程中空间网格的形状、大小和位置保持不变，物质可以在网格间流动，适用于桩靴贯入的大变形计算；拉格朗日有限元是对物质的离散，适用于计算桩靴插拔过程中对临近桩基础的变形。因此，将欧拉有限元与拉格朗日相结合，可以很好的解决桩靴插拔对临近桩基影响的计算问题。
2、运用ABAQUS有限元软件，建模与计算过程简单，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。
综上所述，本发明优点：符合工程实际，方法简单明确，易于计算，所涉及参数容易确定且可靠。
附图说明
图1为现有方法计算模型示意图
图2(a)欧拉区域土体示意图
图2(b)拉格朗日区域土体示意图
图3计算模型装配示意图
图4实施例中离心模型实验桩靴与桩基础尺寸示意图
图5插深3m桩身位移的数值计算结果与离心机结果对比
图6插深6m桩身位移的数值计算结果与离心机结果对比
图7插深9m桩身位移的数值计算结果与离心机结果对比
图8插深12m桩身位移的数值计算结果与离心机结果对比
图9插深15m桩身位移的数值计算结果与离心机结果对比
图10插深3m桩身弯矩的数值计算结果与离心机结果对比
图11插深6m桩身弯矩的数值计算结果与离心机结果对比
图12插深9m桩身弯矩的数值计算结果与离心机结果对比
图13插深12m桩身弯矩的数值计算结果与离心机结果对比
图14插深15m桩身弯矩的数值计算结果与离心机结果对比
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
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
现今在评价桩靴插拔对临近桩基影响的常规方法为离心机模拟试验法，因此在本申请的实施例中，先进行了离心机模拟试验，得到的结果作为本申请模拟方法准确性的对比。
离心实验中，模拟的原型土层水平向50m，深度29m，其中0～26m深度为黏土层，26～29m为砂土层，砂土的平均有效重度为9kN/m3，内摩擦角为32°。模型尺寸如附图4所示，黏土物理力学参数如表1所示，桩靴基础与桩基础的尺寸如附图2所示。
表1计算参数
Figure BDA0001611405900000041
黏土的不排水抗剪强度沿深度线性增加，顶面处强度为4.5kPa，27m深度处强度为50.5kPa，土体弹性模量取150倍的不排水抗剪强度，顶面处弹性模量为675kPa，37m处弹性模量为7578kPa。试验中桩靴中的桩靴的最大贯入深度为15m。
实施例一
一种适用于桩靴插拔对临近桩基影响的数值模拟方法，所述方法使用ABAQUS数值分析软件中的CEL有限元法计算方法，按照离心模型试验参数进行建模分析计算了桩靴贯入3m，6m，9m，12m，15m时，桩身位移，桩身弯矩，包括以下步骤：
S1、根据实际工况，建立数值计算分析模型，包括：土体模型、桩靴基础模型、桩基础模型，所述土体模型包括欧拉区域与拉格朗日区域，建模原则为：整个土体均设为所述欧拉区域，土体竖向高度为39m，土体径向设定为50m，对所述欧拉区域土体的高度范围上部10m，分割出第一空穴，为所述桩靴基础模型插拔过程中土体向上隆起变形提供空间；对所述欧拉区域土体的第一空穴以外范围进行再次分割，分割出用于计算桩靴基础模型插拔的区域和用于嵌放拉格朗日区域的第二空穴。建立三维拉格朗日体桩靴基础与桩基础，尺寸与附图4一致；建立三维拉格朗日土体单元，用于计算所述桩靴基础模型插拔过程中所述桩基础的变形响应；所述欧拉区域与所述拉格朗日区域纵向界线的选取原则为：所述纵向界线至所述桩靴基础模型边缘与所述纵向界线至所述桩基础模型相邻边缘距离相等；
S2、对所建立的所述数值计算分析模型赋材料属性，参数取值与离心模型试验一致。黏土的质量密度设定为600，杨氏模量设定为线性变化的(0～27m范围为675000～7578000线性变化)，泊松比设定为0.49，摩擦角设为0°，膨胀角设为0.1°凝聚力屈服应力设定为线性变化(0～27m范围为4500～50500)。砂土的质量密度设定为900，杨氏模量设定为20000000，泊松比设定为0.3，摩擦角设定为32°，膨胀角设为0.1°，粘聚力屈服应力设定为0.1。桩靴基础的密度设定为7800，杨氏模量设定为210000000000，泊松比设定为0.25,。桩基础密度设定为7800，杨氏模量设定为5700000000，泊松比设定为0.25；
S3、根据实际工况，对建立的所述数值计算分析模型进行装配，装配中的主要变量有：所述拉格朗日区域嵌放在所述欧拉区域中的第二空穴中；所述桩基础模型在土中的埋置深度为27m；所述桩靴基础模型与所述桩基础模型的相邻边缘之间间距为0.5D，其中D为桩靴基础的直径；
S4、建立相对应动力显示分析步，包括：地应力分析步、所述桩靴基础模型贯入分析步、所述桩靴基础模型拔出分析步，其中，地应力分析步时间设定为0.1s，用于地应力平衡；桩靴贯入分析步设定为1.875s，桩靴拔出分析步设定为1.875s；
S5、建立所述桩靴基础模型、所述桩基础模型、所述土体模型间的相互作用，包括，所述桩靴基础模型插拔过程中与所述欧拉区域的土体间的通用接触，所述桩基础模型与所述拉格朗日区域的土体间的面面接触，接触的切向行为为罚函数(摩擦系数0.4)，法向行为设定为“硬”接触；
S6、建立合理的边界条件，包括：(1)对土体施加重力，竖向分量设置为10；(2)所述欧拉区域的土体设置相对应的速度边界与欧拉边界，所述拉格朗日区域的土体设置对应的速度边界，所述桩基础模型设置对应的速度边界，所述桩靴基础模型设置对应的速度边界设定为8m/s；
S7、对所述第一空穴和所述第二空穴的材料赋值设定为“空”；对所述桩靴插拔计算区域的土体材料赋予S2中所设定材料属性；对该土体施加地应力场(应力场1设定：应力值1设定为0，对应的矢量坐标为10，应力值2设定为-156000，横向系数设定为0.96；应力场2设定：应力值1设定为-156000，对应的矢量坐标为36，应力值2设定为-156000，对应的矢量坐标为36，应力值2设定为-183000，对应的矢量坐标为39，横向系数设定为0.54)。
S8、对建立的所述数值计算分析模型进行网格划分并提交计算，桩基础周围土体网格尺寸为桩基础直径的0.25倍；桩靴基础周围土体网格尺寸为桩靴基础的0.1倍，得到所述桩基础模型的位移和所述桩基础模型的弯矩的结果。
桩身位移的数值模拟计算结果与离心机实验对比如附图5至附图9所示，桩身弯矩的数值计算结果与离心机实验对比如附图10至附图14所示。
本发明是针对桩靴插拔对临近桩基影响的数值计算，分析附图5至附图9、附图10至附图14，桩靴插拔不同深度时，桩身变形和弯矩的数值计算结果与离心机结果吻合较好，因此可用桩靴插拔对临近桩基影响的数值计算中，接近实际情况。
为了易于说明，实施例中使用了诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
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。

Claims (5)

1.一种适用于桩靴插拔对临近桩基影响的数值模拟方法，所述方法使用ABAQUS数值分析软件中的CEL有限元法计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据实际工况，建立数值计算分析模型，包括：土体模型、桩靴基础模型、桩基础模型，所述土体模型包括欧拉区域与拉格朗日区域两部分，所述欧拉区域建模原则为：整个所述土体模型均设为所述欧拉区域，将所述欧拉区域分割成三部分，第一空穴、第二空穴和所述桩靴基础模型的插拔计算区域，所述第一空穴为所述桩靴基础模型在插拔过程中土体向上隆起变形提供空间，所述第二空穴为嵌放所述拉格朗日区域提供空间；所述拉格朗日区域建模原则为：所述拉格朗日区域与欧拉区域的所述第二空穴的大小与形状一致，用于计算所述桩靴基础模型在插拔过程中导致所述桩基础模型的位移和弯矩响应，所述欧拉区域与所述拉格朗日区域纵向界线的选取原则为：所述纵向界线至所述桩靴基础模型的相邻边缘与所述纵向界线至所述桩基础模型的相邻边缘距离相等；
S2、对所建立的所述数值计算分析模型赋材料属性；
S3、根据实际工况，对建立的所述数值计算分析模型进行装配，装配中的主要变量有：所述拉格朗日区域嵌放至所述欧拉区域中；所述桩基础模型在土中的埋置深度；所述桩靴基础模型与所述桩基础模型的间距；
S4、建立相对应动力显示分析步，包括：地应力分析步、所述桩靴基础模型贯入分析步、所述桩靴基础模型拔出分析步；
S5、建立所述桩靴基础模型、所述桩基础模型、所述土体模型间的相互作用，包括：所述桩靴基础模型插拔过程中与所述欧拉区域的土体间的通用接触，所述桩基础模型与所述拉格朗日区域的土体间的面面接触；
S6、建立合理的边界条件，包括：(1)对土体施加重力；(2)对所述欧拉区域的土体设置相对应的速度边界与欧拉边界，对所述拉格朗日区域的土体设置对应的速度边界，对所述桩基础模型设置对应的速度边界，对所述桩靴基础模型设置对应的贯入速度；
S7、对所述第一空穴和所述第二空穴的材料赋值设定为“空”；对所述桩靴基础模型的插拔计算区域的土体材料赋予相对应的材料属性；对该土体施加地应力场；
S8、对建立的所述数值计算分析模型进行网格划分并提交计算，得到所述桩基础模型的位移和所述桩基础模型的弯矩结果。
2.根据权利要求1所述的一种数值模拟方法，其特征在于，所述材料属性包括：质量密度，杨氏模量，泊松比，摩擦角，膨胀角中的一项或多项。
3.根据权利要求1所述的一种数值模拟方法，其特征在于，所述第一空穴的高度范围要大于桩靴插拔周围土体隆起高度，保证计算的收敛性。
4.根据权利要求1所述的一种数值模拟方法，其特征在于，为了兼顾计算时长与计算精度，所述桩靴基础模型设置对应的贯入速度，所述桩靴基础模型的贯入速度设定为8m/s。
5.根据权利要求1所述的一种数值模拟方法，其特征在于，为了兼顾计算时长与计算精度，所述网格划分的原则为：所述桩基础模型周围土体网格尺寸为所述桩基础直径的0.25倍；所述桩靴基础模型周围土体网格尺寸为所述桩靴基础的0.1倍。
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