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1、502第十五屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集基于ABAQUS的樁土相互作用分析12121袁志林，陳祥余，段夢蘭，李記忠，王國棟（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300452）摘要：采用ABAQUS有限元軟件對水平載荷下的導管架平臺樁土之間的相互作用進行了分析，重點研究不同載荷下的樁基橫向承載力和水平位移之間的關系，通過計算得到水平載荷下的p-y曲線，并將計算結果與API規(guī)范計算結果進行對比。結果表明，說明采用該軟件進行樁土作用分析是可行的，計算結果可為導管架平臺的樁基設計提夠參考。關鍵詞：ABAQUS；
2、樁土相互作用；p-y曲線；樁基；API規(guī)范導管架平臺的樁基不僅承受巨大的軸向載荷，而且還要承受由于環(huán)境載荷在泥面附近引起的水平力和最大彎矩，樁基水平承載力的計算方法主要有三種，分別是彈性分析法、復合地基反力法和數值計算法，[1]目前應用較廣的是基于復合地基反力法的p-y曲線理論，由于p-y曲線法如實地放映了土的非彈性性質及自泥面開始的進行性破壞現象，因此導管架平臺樁基設計中采用此法最為合適，也是工程中普遍接受的一種方法，但確定準確的p-y曲線需要大量的現場和實際數據，這給實際應用帶來的很大困難。鑒于此，采用有限元軟件ABAQUS，對橫向載荷作用下的樁土作用進行了三維數
3、值模擬，該法能綜合[2]考慮地基上的不均勻性、非線性、各向異性等特征等各種復雜因素，將分析結果與API規(guī)范結果進行對比分析，結果表明該方法能夠確定較可靠的p-y曲線。1有限元模型ABAQUS的接觸模擬中，要在模型中的各個構件上建立表面，并建立接觸對，采用主－從（Master－Slave）接觸算法。選擇主、從表面的原則是：從屬表面的網格劃分更加精細,若網格密度相近，應選擇較柔軟的材料表面為從屬表面。這里選擇土體表面為從屬表面，如在幾何模型上，用大尺寸來模擬半無限空間體，計算時土體半徑遠大于樁橫截面的半徑（如土體半徑取為樁橫截面半徑的40～60倍）。模型建立中，樁體和土體
4、采用C3D8R單元，樁體縱筋采用T3D3單元模擬。樁-土接觸采用摩爾-庫倫摩擦罰函數形式。邊界條件為：模型底部固定約束，模型外側徑向的位移約束見圖1。分析過程分三步進行，第一步進行初始地應力的平衡，由于樁體和土體的重度不一樣，首先采用假定樁體重度和土體重度一樣；然后通過第二步加上樁體和土體實際重度之間的差值；第三步采用表面載荷形式[3]施加水平力。圖1有限元模型2實例分析根據JZ-20-2導管架平臺相似模型試驗資料，來定義有限元分析中的分析模型,計算中，土參數的選取對于計算結果有很大的影響，而土的非線性和多樣性，使得土參數的確定存在很多問題。因此在特定條件下，對土進行
5、有限元分析時，土的參數一般通過試驗確定。砂土的內摩擦角φ及彈性模量Es是分析樁土相互作用p-y關系的兩個關鍵參數。其中，砂土的內摩擦角決為定土層的水平極限抗力，可以通過土性試驗確定，而土的彈性模量決定p-y曲線為初始線性段的斜率，這里通過對樁土相互作用試驗結果的反推法確定。實際海洋工程中樁基的材料一般為鋼材，其剛度遠遠大于土的剛度。由于樁與土的剛度差異較大，可能會在計算中導致剛度矩陣產生奇異，計算收斂困難，因此，在以下的有限元計算中，樁模型采用了等效抗彎剛度方法，即根據實際為樁的材料屬性及尺寸，保持其抗彎剛度和樁徑不變，適當增加壁厚，相應[4]減小樁為的彈性模量。計算
6、實踐表明，這種做法既可以有效地提高收斂速度，又可以使樁為體本身單元的性態(tài)得到優(yōu)化。計算中假設土體為飽和不排水的，且樁在受力過程中不與土體分離，同時采用荷載控制法逐步施加載荷，確定相應位移量。模型樁和土層參數如表1-2所示.表1土層參數-3名稱泊松比密度/kg·m飽和度壓縮模量/MPa孔隙比摩擦角軟黏土0.492000100%160.74第十五屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集503表2模型樁參數-3樁長/m外徑/m壁厚/m密度/kg·m泊松比彈性模量/MPa1.60.040.00712000.3530003計算結果與分析按照單樁的模型試驗加載方式，在有限元計算中，同
7、樣施加14N、28N、42N、56N、70N橫向靜載，根據計算結果得到不同載荷下的彎矩分布曲線如圖2所示。圖2等載荷加載下樁身彎矩分布曲線3.1樁變形分析當作用于樁身的力為水平力時，樁身的變形主要為水平向的撓曲，樁土的破壞模式為水平荷載控制的破壞模式，即：隨著樁身水平位移的不斷增大，土體的抗力逐漸發(fā)揮。通過研究認為：當在樁頭附近施加水平荷載時，淺層的土體由于強度低，首先達到塑性破壞，進而樁身撓曲不斷向深處發(fā)展，造成深處土體[5]不斷受到樁的水平向擠壓，逐漸發(fā)揮出土體的水平抗力。根據圖2可以看出樁身的彎矩分布規(guī)律，載荷越大，樁身彎矩越大，最大彎矩出現的
