钻井船插桩对邻近桩影响的耦合欧拉-拉格朗日有限元方法研究

依据模拟钻井船在黏土层中插桩对邻近桩影响的离心模型试验结果,研究了通过耦合欧拉-拉格朗日（CEL）有限元计算并结合非线性地基梁有限元计算,分析钻井船插桩对邻近桩影响问题的可行性。CEL有限元方法将产生大变形的土体设为欧拉体,采用欧拉有限元方法计算该区域的变形响应,计算过程中,欧拉体的空间网格形状、大小位置保持不变,物质可在网格之间运动;其他土体设为拉格朗日体,采用拉格朗日有限元方法计算变形响应,计算过程中,物质的运动和网格的变形保持一致。运用罚函数方法实现欧拉体与拉格朗日体的耦合。通过CEL有限元计算,可以确定钻井船插桩导致的邻近桩桩身水平位移。进一步通过非线性地基梁有限元模型计算确定桩身弯矩。计算结果表明,利用CEL有限元方法并结合非线性地基梁有限元方法计算出的桩身位移和弯矩沿桩长的变化与离心模型试验结果基本一致。说明采用CEL有限元方法并结合非线性地基梁有限元方法分析黏土层中插桩对邻近桩的影响问题是可行的。CEL有限元模型中欧拉土体范围的设置对计算结果有明显影响。研究表明,若插桩深度小于0.75倍桩靴直径,可将欧拉土体范围设置成1.00～1.25倍桩靴直径;若插桩深度大于0.75倍桩靴直径,将欧拉土体范围取为插桩深度以下0.5倍桩靴直径是恰当的。     

易破碎砂土地基中“平底桩”贯入数值模拟分析

桩在贯入砂土地基时所产生的高应力会引起桩周砂土的破碎,在易破碎砂土地基中更为严重。砂土破碎会引起桩基承载力的降低,严重地会导致基础结构物失稳甚至倒塌破坏。针对平底桩贯入易破碎砂土地基所产生的上述问题,引入新近提出的砂土颗粒破碎本构模型,结合耦合欧拉–拉格朗日(CEL)方法在处理大变形计算上的优势,对平底桩贯入过程进行了数值模拟研究。首先,根据Dog’s bay钙质砂的三轴剪切试验结果,确定了砂土破碎模型的模型参数。然后,采用CEL方法对平底桩贯入Dog’s bay钙质砂的离心机试验进行了模拟,模拟结果与试验测量结果吻合,表明所提出的平底桩贯入易破碎砂土地基的模拟方法的有效性和可行性,砂土破碎可明显降低桩基的承载能力。研究结果可为桩基贯入易破碎砂土地基提供设计和施工依据。     

考虑桩靴贯入对邻近群桩效应影响的分析方法

为考虑钻井船插桩对邻近平台群桩相互作用的影响,以海洋平台群桩设计中使用的修正Poulos法为基础,提出了一种考虑桩靴贯入影响的群桩分析方法。该法基于非线性地基梁模型确定桩靴贯入土层时单桩桩头位移;依据桩同时承受桩头荷载与土体位移时对应的地基反力系数确定土层的弹性模量,进而在Poulos群桩相互作用分析理论框架内,分析桩靴贯入对群桩相互作用的影响,确定桩靴贯入过程中由于群桩相互作用导致的附加桩头位移及相应的群桩桩头位移;依据群桩桩头位移,确定考虑桩靴贯入影响的群桩p-y曲线Y因子及相应的p-y关系。为了说明分析方法的可行性,进行了桩靴贯入砂土时对邻近单桩和群桩相互作用影响的离心模型试验,方法预测与试验结果基本一致,从而验证了方法的合理性。对于文中的工况,桩靴贯入没有导致群桩p-y关系进一步弱化,此时采用桩靴贯入前的群桩p-y关系确定考虑桩靴贯入影响的群桩响应,得到的结果偏安全。     

插拔桩靴对临近桩靴承载力的影响研究

自升式钻井船桩靴的插拔过程将会对临近井口平台的桩靴基础产生不利影响。开展了室内模型试验研究,将试验结果与理论分析结果相结合,得到了桩靴插拔的影响范围及影响范围内土体强度的变化规律,并推导了桩靴插拔影响区内临近桩靴承载力的计算方法,与模型试验结果进行了对比验证。研究表明,桩靴插拔后砂土相对密实度降低,其降低程度随距桩靴距离的增加而逐渐减小,影响范围约为1倍桩靴直径。受桩靴插拔影响,临近桩靴的承载力下降,降低比例随两桩靴相对间距的增大而减小,随桩靴相对插深的增加而增加。当两桩靴相对间距大于2倍插拔桩靴直径时,可认为桩靴插拔对临近桩靴基础承载力无影响。     

启东某场地自升式平台插桩可行性试验研究

桩靴接触应力是影响插桩深度的主要因素之一,桩靴的锥尖型式可能会影响接触应力的大小及分布。以江苏省启东市某插桩试验项目为例,针对不同的桩靴端部型式基于桩靴接触应力现场实测数据,分别采用国内外规范方法及数值计算方法对插桩深度开展预测分析,揭示桩靴端部型式对插桩深度的影响规律。结果表明：在插桩过程中不同锥端类型桩靴的接触应力呈现出中央大周边小的分布特征,表明现场桩靴为柔性结构类型;采用不考虑桩靴端部形状的规范方法进行桩靴插深预测,得出的预测结果同现场实测结果基本吻合;采用小变形有限元数值方法进行插深预测也可以得出令人满意的结果,研究结果可为类似工程实践提供参考。     

静力压桩数值模拟的位移贯入法

在通用软件ANSYS平台上对静力压桩进行数值分析。提出了位移贯入法,巧妙地利用边界位移条件使桩体贯入,可以考虑弹塑性本构关系、大变形和桩-土滑动摩擦等复杂问题,更符合静力压桩实际情况,具有仿真效果。     

黏土中自升式钻井船插桩对邻近桩基影响的分析方法

自升式钻井船是广泛用于浅、中水域油气资源开发的重要设施,经常紧邻固定式导管架平台进行作业。钻井船插桩就位过程中大量土体被排开,挤土效应会导致邻近导管架平台桩基承受很大的附加荷载,影响平台的正常设计性能,该效应在黏土中尤为显著。针对黏土中钻井船插桩对邻近桩基的影响这一实际问题,现有规范和分析方法存在明显不足。为此,建立了一套数值分析方法,把这一复杂问题分解成相对独立、简单的两个方面进行分析：一是采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）数值方法,计算自由场地插桩周围土体产生的位移场;二是利用桩基水平力与位移关系曲线,即P-Y曲线,采用杆系-土弹簧的传统方法计算土体位移产生的桩体加载。通过与已有离心试验数据的比较,验证了该方法的可靠性和适用性。研究揭示了自由场地土体的变形模式和流动机制,阐明了由于插桩邻近桩基产生的附加荷载变化规律,特别是发现了黏土变形参数 对插桩引起的自由场地土体位移场有显著影响,但对插桩引起的桩基加载影响较小。最后,针对导管架对桩基的桩头约束条件和插桩及导管架自身对桩基的线性叠加加载适用性问题给出了详细说明。     

基于耦合欧拉-拉格朗日法充灌袋挤淤过程的有限元研究

在含水率大、承载能力低的软土地基上,利用充灌砂袋进行挤淤置换的方法工艺简单、施工方便、处理效果明显,已经广泛地应用在建造围埝和修筑道路中。充灌袋下沉到一定深度后,其重量与地基承载力相等,从而达到极限平衡状态。充灌袋挤淤所达到的深度与其高度存在一定的对应关系,在工程中确定此关系十分重要。通过3组不同宽度的挤淤模型试验,得到充灌袋下沉量与充灌袋高度的曲线关系、淤泥的位移特性及隆起量。利用ABAQUS中耦合欧拉-拉格朗日法（CEL法）,将充灌袋和淤泥分别用拉格朗日体和欧拉体描述,模拟充灌袋挤淤下沉的过程,将模拟得到的充灌袋下沉深度和高度的关系、淤泥的位移特点与试验结果以及理论公式进行对比。结果表明,CEL法模拟得到的结果与试验结果、理论解具有很好的吻合性,说明利用CEL法可以较好地模拟充灌袋的挤淤问题。     

饱和水流溶质运移问题数值解法综述

本文总结了饱和水流中溶质运移方程求解的各种数值方法，分析各种方法的本质特征以及各自的优缺点，并指出了求解对流—弥散方程的各种数值方法的研究进展和值得重视的问题。研究结果表明，自适应欧拉—拉格朗日法(EM)是溶质运移问题中，求解对流—弥散方程是比较有发展潜力的方法之一。以MMOC法为基础在陡峰值高价插值和其它区域低价插值相结合的ELM法，将是未来发展的趋势。而寻求非规则网格上高精度的空间单元插值模式，已开始成为求解对流问题数值方法研究的重点和关键问题。     

基于Forrestal侵彻试验的数值模拟研究

在弹丸侵彻混凝土的数值模拟过程中,材料模型及其相关参数的选取是一项关键且复杂的工作,其原因在于混凝土动力学材料模型参数众多,一般都在几十个以上,而且大多数参数无法通过试验直接获得,有些甚至没有明确的物理意义。通常的办法是通过试验确定少量参数,然后通过数值模拟计算结果反推其他模型参数。鉴于这种情况,非线性动力分析软件LS–DYNA增加了自动生成参数的功能,该成果是由Schwer等在损伤混凝土材料模型的基础上通过大量总结得到的,该特性很大程度上方便了用户在混凝土侵彻数值模拟方面的工作。利用LS–DYNA的该项功能,模拟了Forrestal的部分侵彻试验,并将计算结果同试验数据、经验公式计算结果做了对比分析。结果表明,自动生成参数功能是一种研究弹丸侵彻混凝土问题的简单而有效的办法。