（岩土工程专业论文）海洋环境下独立桩的水平承载性能研究.pdf

摘要 作为一种已经得到了广泛应用的简易平台型式，独桩平台具有良好的应用前景，但 随着水深的增加，采油平台独立桩在风、浪、流、冰作用下，也存在着上部结构晃动严 重的问题。为了保证油田的安全生产，避免事故发生，需要对独桩平台在各种环境荷载 作用下的响应形式、受力和变形做进一步研究。 首先通过对桩土相互作用理论的研究，分析了独立桩的水平承载性能及原理，通过 对现有理论的比较，考虑到水平荷载作用下桩土间的非线性响应，作为有波浪反复荷载 作用的桩基结构的计算法，确定了适合海洋环境的桩土计算理论1 y 曲线法。 根据竺艳蓉教授提出的波浪理论的适用范围标准，同时考虑海工结构物的受力特 性，通过对理论计算和水槽实验资料的对比分析，认为按斯托克斯二阶波理论计算出的 波力一般较大，本文采用斯托克斯五阶波理论。 采用a n s y s 软件将p - y 曲线法应用到c a e 分析中，利用c o m b i n 3 9 弹簧单元对 桩土间的相互作用实现了等效集中的非线性数值模拟，建立了立管桩的整体三维有限元 模型。通过对立管桩在三种工况下的静力分析和瞬态动力学分析，总结了影响独立桩水 平位移的主要因素，重点比较了桩身截面形状、变直径位置、土体性质等对独立桩的水 平受力性能的影响，提出了控制顶部水平位移和桩身最大应力的研究方法。 研究表明，桩身变径有效减小了荷载作用，对桩体刚度影响不大，经过对比分析， 验证了变径措施对控制桩顶水平位移的有效性。 综合分析桩身变径、增加套筒、桩身加肋及灌注混凝土等桩身位移控制措施的技术 经济效果，提出了桩身变径和增加套筒的优化设计方案。 论文分析结果对海洋环境下独立桩的设计计算提供了理论依据，提出的桩身位移控 制措施在工程应用中有良好的技术经济效果。 关键词：独桩平台，p y 曲线法，有限元，桩身变径，控制措施 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fv a r i a b l e - d i a m e t e r s i n g l ep i l eu n d e ro c e a ne n v i r o n m e n t t a n gn a ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry ur a n g g a n ga n ds el i uj i n k u n a b s t r a c t a sak i n do fs i m p l ep l a t f o r mw i d e l ya p p l i e d ，s i n g l ep i l eh a sg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t b u tw i t hw a t e rd e p t hi n c r e a s i n g ，t h e r ea l s oh a st h ep r o b l e mo fs l o s h i n gs e r i o u s l yi nu p p e r s t r u c t u r eu n d e rw i n e ，w a v e s ，d r i f ta n di c ee f f e c t i no r d e rt oe n s u r et h es e c u r i t yo fo i lf i e l d p r o d u c t i o n ，a v o i dm o r ea n dl a r g e ra c c i d e n t , t h e r en e e d sm a k i n gf u r t h e rm s e a r c ha b o u tt h e r e s p o n s ef o r m ，s t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h es i n g l ep i l eu n d e rv a r i o u se n v i r o n m e n tl o a d i n g f i r s t l y , b ys u m m a r i z i n gt h er e s u l t so fl i t e r a t u r er e s e a r c ho fp i l e - s o i li n t e r a c t i o n ，l a t e r a l l o a dc a p a c i t yo fs i n g l e - p i l ei s o b t a i n e d c o m p a r i n gt h ec u r r e n tt h e o r y ，i td e t e r m i n e st h e p i l e - s o i li n t e r a c t i o nt h e o r ys u i t a b l ef o ro c e a ne n v i r o n m e n t - p - yc u r v em e t h o d c o n s i d e r i n g t h en o n l i n e a rr e s p o n s eb e t w e e n p i l ea n d s o i lu n d e rh o r i z o n t a ll o a d ，f o rf o u n d a t i o np i l eb e a r i n g w a v el o a d ，i ti st h eu n i q u em e t h o dn o w a c c o r d i n gt oa p p l i c a t i o ns c o p es t a n d a r dp r o p o s e db yz h uy a n - r o n g ，a c c o u n t i n g s i m u l t a n e o u s l y , m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fo c e a ns t r u c t u r e ，t h r o u g hc o m p a r i n gt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nw i me x p e r i m e n t a ls t u d yo nf l u m e ，t h i sp a p e rh o l dt h a tt h ew a v ef o r c ec a l c u l a t e d b ys e c o n do r d e rg r a v i t yw a v et h e o r yi sl a r g e r ，s of i f t ho r d e rg r a v i t yw a v et h e o r yi su s e di n t h i sp a p e r w i t ht h eh e l po ff i n i t ee l e m e ma n a l y s i sp r o g r a m a n s y s ，t h i sp a p e rs i m u l a t et h e n o n l i n e a rb e h a v i o rb e t w e e nt h ep i l ea n dt h es o i lb yu s i n gc o n c e n t r a t e dc o m b i n e 3 9s p r i n g e l e m e ma n da p p l yt h ep - yc u r v em e t h o di nc o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n gs o t t w a - r ef o r t h ef i r s t t i m e a f t e rs e t t i n gu pt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e mm o d e l so ft h es i n g l ep i l e ，t h i sp a p e r p e r f o r m e ds t a t i ca n dt r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s e sf o rc b 11fa n dk d 3 4 at w op l a t f o r m si n n o r m a lp r o d u c t i o n ，e x t r e m ew a v ea n de x t r e m ei c ec o n d i t i o n ，a n do b t a i nt h em a i nf a c t o r s e f f e c t i n gt h es i n g l e - p i l el e v e ls l o s h ，e s p e c i a l l yc o m p a r e ds e c t i o ns h a p eo ft h e p i l e ，p o s i t i o no fv a r i a b l ed i a m e t e ra n ds o i lp r o p e r t ye f f e c tt h eh o r i z o n t a ll o a do ft h es i n g l e p i l e ，a n df i n daf e a s i b l ew a yt or e d u c et h ed e f l e c t i o no ft o ps i d es t r u c t u r e v a r i a b l ed i a m e t e rc a nr e d u c el o a d i n ge f f e c te f f e c t i v e l y ，h a sl i t t l ee f f e c to ns t i f f n e s so f p i l e i t i s p r o v et h a tv a r i a b l ed i a m e t e rc a l lr e d u c et h ed e f l e c t i o no ft o ps i d es t r u c t u r e e f f e c t i v e l ya f t e rc o m p a r i s o n ，a n do b t a i nt h eo p t i m a lp o s i t i o no fv a r i a b l ed i a m e t e r ，i th a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei np r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n v a r i a b l ed i a m e t e r ，u s i n gs l e e v e ，r i b b e dp i l ea n dp o u r i n gc o n c r e t ea l et h ef o u rc o n - t r o l m e a s u r e sc o l q l 1 1 0 nu s e d t h i sp a p e rp r o v et h a tv a r i a b l ed i a m e t e ra n du s i n gs l e e v ea r e e f f e c t i v ea f t e rc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s t h er e s u l t so ft h er e s e a r c ho f f e rt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rs i n g l ep i l ed e s i g nc a l c u l a t i o n u n d e rm a r i n ee n v i r o n m e n t ，c o n t r o lm e a s u r e so fp i l ed i s p l a c e m e n th a sg o o dt e c h n i c a l e c o n o m i c a le f f e c ti ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s i n g l ep i l e ，p yc u r v em e t h o d ，f i n i t ee l e m e n t ，v a r i a b l e d i a m e t e r ， h o r i z o n t a lb e a r i n gc a p a c i t y ，c o n t r o lm e a s u r e 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 薹稠卜 日期：炒8 年，月巧日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：枷譬年r 月巧日 日期：x g 年r 月玎日 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 1 1 本课题研究的意义 第一章绪论 海洋平台是海洋石油天然气资源开发的基础设施，随着海上油气资源的开发不断向 海洋进军，但限于深海开采技术的复杂性及高成本，浅海边际油气资源的开发利用尤其 引起人们的日益关注，因此研究和开发适合浅海边际油气资源开发的固定式轻型平台得 到了广泛的重视。 自上世纪8 0 年代以来，轻型平台的应用日趋广泛，墨西哥湾地区尤为突出。近年来， 在北海南部海域也己开始应用，其中应用较多的轻型平台主要m o s si i 型、m a n t i si 型、 g u a r d i a n 、s e a h o r s e 及独桩平台i l l 等。独桩平台( 又称为独柱支撑平台) 的上部甲板结构由 单一钢管桩支撑，隔水套管则置于钢管桩内。其具有结构简单，制造、安装方便，造价低 廉等特点1 2 ，而且单支柱结构形式还能较大程度地降低环境荷载的作用。目前在北海地 区、美国墨西哥湾、意大利亚得利亚海得到广泛应用。 我国的海洋石油开发起步于6 0 年代末期，到目前为止，已有近百座采油平台在进行海 上采油作业。平台结构型式绝大部分为导管架式采油平台，其次还有利用旧的自升式钻井 平台改制成的自升式采油平台以及人工岛采油平台等。在埕岛油田目前滚动开发的模式 下，采用独立桩结构【3 】型式，无论在结构型式还是在滚动开发的经济性上都比较适合本海 区的特点，对于加快埕岛浅海油田的开发，使更多边际性油田能够达到开发经济界限，具 有十分重要的意义。 然而，在取得巨大经济效益的同时，严重的安全问题也慢慢显露了出来。在油田建 设初期，为了方便建造和施工，节约开发成本，许多平台都采用了简易型式，比如单井、 栈桥、火炬等小型平台都采用了独桩平台型式。随着开发水深的增加，环境荷载作用也 愈加强烈，这时如果仍旧采用独立桩支撑，平台上部结构会产生较大幅度的水平位移【4 1 。 当位移超过允许范围后，依托在平台上的输油管线、注水管线以及电缆线会受到损坏， 从而引起漏油、漏水、断电等事故，严重的甚至会导致海域污染，使油田蒙受巨大的经 济损失，降低企业的社会声誉。 比如，2 0 0 0 年埕岛油田c b 2 2 d 帆b 2 2 b 井的注水管线和c b 2 2 b 井顶端注水工 艺管线，由于独立桩严重晃动，导致管线破裂，造成三口井停注三天，同时对整个注水 管网的正常工作造成了巨大的影响。 第一章绪论 2 0 0 1 年1 月，埕岛油田c b 2 2 单井c b 2 2 b 井的输油管线，同样是因为独立桩的 位移过大，导致管线开裂，造成原油泄漏的严重损失。 目前，埕岛油田c b 2 5 1 a 、c b 2 7 1 a 、c b 2 5 1 三座独桩平台在大风大浪天气时，也 发现上部结构水平位移过大，桩顶水平位移实测值超过了安全范围，存在着巨大的安全 隐患。 以上实际情况表明，在水深超过1 5 m 的浅海，目前己建的独桩平台已经有一部分发 生了破坏，还有相当一部分处于危险状态。为了保证油田安全生产，避免事故发生，需 要对独桩平台在各种环境荷载作用下的响应形式、受力和变形作迸一步研究。 为了解决极端波浪工况和极端冰工况下，平台顶部水平位移过大的问题，海洋开发 公司提出了桩身变径的办法。桩身变径位置一般是在海平面以下，这样对桩身的整体刚 度影响不大，但可以有效地减小波浪荷载、海流作用、冰荷载的作用面积，达到降低水 平环境荷载的目的。 1 2 桩结构物的研究方法及现状 海洋环境下，在风荷载、波浪荷载作用下的动力响应特性是平台设计过程中的关 键因素，英国、荷兰、日本和我国台湾的学者先后对风和波浪作用下海洋结构进行了随 机响应分析和谱分析，并且对结构阻尼矩阵进行了推导。 当前工程中计算波浪力的方法主要有两个：一个是1 9 5 0 年由m o r i s o n 等人提出的 m o r i s o n 方程，该方法假定当桩柱尺寸与波长相比较小时，桩柱的存在并不影响波动场， 故作用在桩柱上的波浪力，除与桩柱尺寸有关之外，取决于未被桩柱扰动的波动场内桩 柱轴线处水质点的运动速度和加速度；另一种方法是1 9 5 4 年由m a c c a m y 和f u c h s 提出 的绕射理论，其假定流体是无粘的，运动是有势的，并利用了线性化的贝努利方程确定 结构物边界上的波压强分布形式。由于这两种方法的假定不同，因此二者的使用范围也 不同。本文的研究对象为小直径桩结构，桩柱相对尺度较小，故绕流影响可以忽略，但 由于波高较大，因流体粘性而引起的阻力增大，在计算波浪力时，采用m o r i s o n 方程。 在冰与海洋结构物的作用方面，俄罗斯、美国、加拿大和日本的技术人员通过数学 模型和现场试验对冰荷载在结构上的压力分布、局部冰荷载随时间的变化及影响冰的粘 结强度的因素等问题进行了研究。我国的学者也对渤海海洋平台进行了冰振分析，探讨 了正锥体对减轻冰力和结构反应的作用【5 1 ，对于上述荷载，文中采用中国船级社( c c s ) 海上固定平台入级与建造规范中提供的理论和标准进行计算，同时参考了美国石油 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 协会a p i r p 2 a 和r p 2 n 规范。 长期以来，人们对海洋平台桩基的桩土相互作用机理进行了不断的研究和探讨，在 不同理论的指导下，提出了众多的计算方法。7 0 年代美国石油协会采用了p y 曲线法来 设计海上平台的桩基，不久，挪威在海上平台的桩基设计中也采用了p - y 曲线法。8 0 年 代以后，我国对p - y 曲线法进行了研究，并引入到海上桩基工程的设计中【6 一8 】，根据中 国船级社海上固定平台入级与建造规范的规定，对于受波浪周期荷载循环作用的海 洋结构必须采用p y 曲线法 9 1 。p - y 曲线法保证了桩土之间的变形协调，适用于线性和非 线性，静载和循环荷载，避免了现行单一参数法的缺陷，是目前公认的比较先进和有前 途的方法。 有限元方法诞生以来，一直是工程结构分析的有效工具之一。由于当时计算机技术 非常落后，有限元方法的优势没有立即显示出来。随着近些年计算机硬件技术的飞跃发 展，利用有限元法对大型工程结构进行整体分析已经成为可能，通过大规模有限元分析， 可以对海洋平台整体结构的应力、应变进行求解。而且由于计算机软件技术发展迅猛， 给人类社会带来了新一轮的技术革命，数值模拟技术即为这一革命在工程分析、设计和 科学研究等领域中的具体表现。数值模拟技术汲取了当今计算数学、力学、计算机图形 学和计算机硬件发展的最新成果，在它的带动下，诞生了众多商业化的有限元数值分析 软件，并发展成为个专门的学科“计算机辅助工程- c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ( c a e ) ”。 目前，把c a e 软件作为主要工具，对海洋工程结构进行分析和设计己经成为主流发展 方向，较常用的有a b a q u s ，a d i n a ，a n s y s ，m s c n a s t r a n 以及导管架平台专用软 件s a c s 和d n v s e s a m 1 0 l 。 1 3 本文的主要内容 作为一种已经得到了广泛应用的简易平台型式，独桩平台具有良好的应用前景，但 随着油田滚动开发的深入，水深也在逐渐增加，较深的采油平台独立桩在风、浪、流、 冰作用下，存在着上部结构水平位移较大的问题。本文通过有限元法对独立桩进行海洋 环境下的水平受力分析，比较桩身截面形状、变直径位置、土体性质等对独立桩水平受 力性能的影响，重点研究变直径独立桩的承载性能，优化变直径独立桩的结构型式，以 达到控制独桩平台的顶部位移和减小变截面处应力强度的双重目的。 基于上述目的，本文采用有限元软件a n s y s 将p y 曲线法应用到c a e 模拟中，利 用c o m b 烈3 9 弹簧单元模拟桩土间相互作用，建立c b l1 f 、k d 3 4 a 两处井位的立管桩 3 第一章 绪论 的整体三维有限元模型。 通过对立管桩在正常作业工况、极端波浪工况和极端冰工况三种工况下的静力分析 和瞬态动力学分析，并利用a n s y s 的计算结果对变直径位置进行了优化，提出了一种 同时控制顶部水平位移和桩身最大应力的研究方法，对于研究受水平荷载影响显著的海 洋平台，尤其是独桩式简易平台有重要的实用价值。 本文的主要研究内容如下： 1 对水平荷载作用下独立桩平台的承载性能进行分析，根据文克尔弹性地基梁原 理，结合着p - y 曲线法，依据现场海底土壤的性质和分层状况，将桩身受到的土反力简 化为一系列等效集中的非线性弹簧，用a n s y s 软件中的c o m b i n 3 9 单元模拟桩一土间 的相互作用。 2 采用a n s y s 单元库中的p i p e 5 9 、p i p e l 6 、b e a m l 8 8 、s h e l l 6 3 、c o m b i n 3 9 单元，分别建立c b l l f 、k d 3 4 a 两座井位处立管桩的整体三维有限元模型。根据正常 作业、极端波浪和极端海冰三种工况下的设计要求，对风荷载、波流荷载、冰荷载以及 土壤p - y 曲线参数进行计算，通过a n s y s 的前处理功能施加在平台模型上。 3 对正常作业、极端波浪和极端海冰工况下的两座平台结构分别进行静力分析、强 度及稳定性校核。对极端波浪工况进行模态分析和瞬态动力学时程分析，研究平台的自 振特性和动力响应特性。 4 在静力和动力计算的基础上，通过采用桩身变径的手段来减小上部结构的受力， 达到减小桩顶位移的目的，同时提出变直径独立桩的最合理的结构型式。 5 综合分析桩身变径、增加套筒、桩身加肋及灌注混凝土等桩身位移控制措施的技 术经济效果，提出了桩身变径和增加套筒的优化设计方案。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章桩基水平承载力计算方法的研究 桩基础是固定式海洋平台应用最多的一种基础形式，主要功能是用来支撑甲板及上 部结构和抵抗环境荷载对结构的作用。对于独桩式海洋平台，风、浪、流、冰等荷载作 用下的水平承载性能是设计中最关键的问题。 近几十年来，随着开敞式码头、跨海大桥、海洋石油平台的建设，波浪荷载成为一 项重要的水平荷载，波浪荷载的循环作用和动力作用对桩的设计计算提出了更高的要 求。桩受到风、浪、流、冰的作用时，会使顶部产生较大的位移，因此有必要对桩的水 平承载力进行研究，选择合适的方法来控制桩的横向位移。 2 1 国内外研究现状 1 9 3 6 ，雷斯( r a s e ) i l l 】首先假定桩侧土地基反力为线性分布，根据作用在桩上的外 力及其平衡条件求解桩的水平抗力，此即为极限地基反力法。冈部、布罗姆斯( b r o m s ) 【1 2 】、斯奈特科( s n i t k o ) 分别于1 9 5 1 、1 9 6 4 、1 9 6 5 年提出了不同的地基反力线性分布形 式。物部( 1 9 5 2 ) 和恩格尔则提出了地基反力假定为二次曲线分布的极限地基反力法。 上述方法适用于刚性桩，对于实际工程中应用较多的弹性桩并不合适。将桩作为竖 放在弹性地基上的梁按文克尔假设进行求解，是最早提出、也是研究最多的方法。1 9 3 7 年，中国学者张有龄假定水平地基系数沿深度为常数，求出了弹性桩内力和位移的解析 解，通常称为c 法。同年安盖尔斯基提出k 法。1 9 6 2 年，k c 西林提出了水平地基系 数由地面处为零沿深度线性增加的m 法，是目前应用较广的方法。1 9 6 4 年，久保假定 水平地基系数随深度的0 5 次方增加，但此法并未得到推广。横山幸满【1 3 】和王伯惠f 1 4 1 分别于1 9 7 7 、1 9 7 8 年给出了水平荷载下基桩挠曲微分方程的通解，可以考虑水平地基 系数随深度变化的指数为任意数值的情况。我国学者吴恒立于2 0 0 0 年提出的综合刚 度原理和双参数法，将水平地基系数随深度变化的指数也作为待定参数，通过两个待定 参数的调整使计算结果更好地符合实际情况。 对于非线性地基，采用文克尔地基难以正确表达。日本港湾研究所的久保( 1 9 6 4 ) 和宫岛( 1 9 6 3 ) 假设土抗力与水平位移的0 5 次方成正比，提出了分别适用于s 型地基 和c 型地基的计算方法，统称为港研法。 1 9 5 6 年m c c l e l l a n d 和f o c h t 根据试桩的实测反力与变位的p y 曲线与同时进行的土 的固结不排水室内三轴实验的应力应变曲线之间存在的相关关系，提出一种求解桩非线 第二章桩基水平承载力计算方法的研究 性横向阻力的方法，该方法即p - y 曲线法的起源。1 9 7 0 年m a t l o c k 1 6 】基于塞宾和奥斯廷现 场试验建立了水平荷载作用下软粘土的p y 曲线公式。1 9 7 4 年r e e s e 和c o x 1 7 j 基于埋入 砂土中一组钢管桩的试验研究和分析，从土楔体极限平衡理论推出砂土的极限土抗力，建 立了砂土的分段p y 曲线。1 9 7 5 年r e e s e 等又提出了适合硬粘土的p y 曲线。m a t l o c k 和r e e s e 的理论为p - y 曲线方法奠定了基础，此后许多规范采用和推广这种方法，例如美国 石油学会a p i 规范。但是，m a t l o c k 和r e e s e 的p y 曲线是根据美国墨西哥湾少量试桩结 果提出的，具有明显的区域性和局限性。为使p y 曲线法具有广泛的适用性和适当的简 化，s u u i v n 和r e e s e 等提出适合任何粘土的p - y 曲线统一法。美国、印度、瑞典等一些学 者也对p y 曲线作了许多重要改进，其中较著名的是s t e v e n 等提出p - y 曲线合成法【1 8 j 。 我国对p y 曲线的研究起步比较晚。2 0 世纪8 0 年代，田平、王惠初、武冬青、田 平等在上海黄浦江大桥试验的基础上，提出适合粘性土的p - y 曲线新统一法【1 9 l 。章连洋等 在分析镇江大港试验资料的基础上，提出了适合粘性土的p - y 曲线确定方法【2 0 1 。张舒羽等 人认为目前国内外规范中的p - y 曲线法均需用到土的不排水强度c l l 和最大主应力一半时 的应变8 5 0 ，而获得这两个参数需要进行费用较高的土工三轴试验，因此限制了p y 曲线法 的广泛应用。他们在国内现有原型试验资料基础上，由较容易获得的一组土工参数推导出 粘土的p y 曲线经验公式。基于国内外的研究成果，我国海上固定平台入级与建造规范 和港d - v 程桩基础设计规范【2 l j 先后将p - y 曲线法列为分析横向荷载作用下桩承载力 的方法，为p y 曲线法的应用和发展创造了很好的条件。 p y 曲线法不仅可应用于静力的短期荷载和循环的反复荷载，也适用于任意尺寸、 刚度和嵌固状态的桩在发生了弹性变形以至产生塑性变形和达到或超过剪切破坏状态 时内力和位移的计算。在海域工程结构中，p y 曲线法已广泛使用，它克服了单一参数 法( 如m 法) 计算水平承载桩，所得挠度、转角和桩身最大弯矩不能同时与桩的实测数据 和边界条件很好地吻合的缺点，解决了桩发生大变位时，土压力和位移成线性关系的求 解方法与实际土的非线性反映不相适应的问题，能全面地反映桩的工作性能。 p - y 曲线法是目前最为流行的计算方法，该方法综合考虑了土的非线性、桩的刚度 和外荷载作用性质等特点，能如实地把地基的非弹性性质，及由地表面开始的破坏现象 反映到桩的计算中去，并且电子计算机的发展为该方法在工程中的广泛应用提供了前 提。对承受波浪、海流等循环水平作用的大直径海底桩，在地基中产生较大应变时，应 采用p y 曲线法。 6 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 2 2 横向抗力计算方法 一般情况下，埋入土中的桩为弹性构件，可以将它视为一弹性梁，采用地基反力法 计算。取桩轴方向为x 轴，土表面水平方向为y 轴，根据梁挠曲变形理论，写出水平承 载桩的挠曲微分方程如下： 日碧+ b p ( y , z 瑚 ， 式中：p ( y ，z ) - 地基反力； y 一挠度； z 沿桩身的长度； 彤桩的抗弯刚度； b 桩截面的计算宽度。 其中，p ( y ，z ) 的计算公式为： p ( y ，z ) = k z ”y 脚自如( 少，z ) = k ( z ) y 府( 2 - 2 ) 其中后( z ) 为地基系数。根据对p ( y ，z ) 考虑方法的不同，桩的横向抗力的计算方法大 致又可以分为极限地基反力法、弹性地基反力法和复合地基反力法三类。 2 2 1 极限地基反力法 极限地基反力法，最初可能是从像沉井那样的刚性结构物的应力问题中导出的，适 用于埋入长度较短的刚性桩，即桩与地基一起产生破坏的情况。 该方法假定破坏只发生在土中，认为土同时整体同时屈服的，使用极限平衡下桩的 横向力，地基反力p 只是深度z 的函数，即： p = p ( z )( 2 - 3 ) 地基反力与桩的挠度没有直接关系，所以就无法求解桩土的变形，但可以计算桩的 水平极限承载力。这种方法一般不用来分析长桩或柔性桩，因为桩身较长或柔性比较大 的情况下，破坏时桩不可能发生刚性桩那样的刚体平移，因而桩周上也不可能同时达到 屈服极限，所以对入土较深的大直径海洋平台桩来说这种方法是不适用的。 7 第二章桩基水平承载力计算方法的研究 2 2 2 弹性地基法 弹性地基法即假定地基土为弹性体，用梁的弯曲理论求解桩的横向抗力，其假定地 基反力p 与桩的位移y 的m 次方成比例，即 p = k z “y ”或p = k ( z ) y 肿 ( 2 - 4 ) 式中：七( z ) 为地基系数。 根据指数m 的取值不同，弹性地基法又可分为：m = 1 时的线弹性地基反力法( 又可以 叫弹性抗力法) 和m 1 时的非线性弹性地基反力法。 线弹性地基反力法 线弹性地基反力法以文克尔地基模型为基础，假定地基为服从胡克定律的弹性体， 桩上每一点的地基反力p 与该点的挠度成比例。这一假定最初是e w i n k l e r 在1 8 6 7 年提 出的，后由h z i m e r m a n n 在1 8 8 2 年出版的有关铁路线路计算的书而广泛传播。 温克尔假定模型是由一个个独立动作的离散型弹簧所组成的弹性体，如果给某一弹 簧加上力，则仅受力弹簧与力成比例的缩短( 或伸长) ，而其他弹簧完全不受其影响。 由于这个假定没有考虑地基的连续性，对于某些土质来说，如剪切刚度较大的岩石为持 力层的多柱基础，这样简单的假设是不成立的。 另外，土的物理性质本来是很复杂的，要用温克尔假定这样简单的数学关系来正确 表达是不可能的。尽管这样，这个简单的古典假设仍在基础工程学领域里连续应用了一 个世纪以上，与很多最近发展且能更真实表现土的实际状态的复杂分析方法相比，温克 尔假定比任何一种方法的数学处理都简单，这在工程学中很实用的。 温克尔的离散性弹簧模型，一般可表示为式2 4 ，式中相当于弹性系数的k c x ) 尽管 是假定的，但作用于桩上的荷载和桩的位移还是成比例关系。但若进行桩的水平荷载作 用下的试验，随着荷载增加，桩的位移也加大，但只是在位移较小时才呈现荷载和位移 的线性关系。所以在位移y 变化较大时，把地基假定为线弹性体是不合理的，但由于胡 克定律本身是以微小变形为对象的，所以上面的假定在一定条件下是成立的。 由于这个原因，线弹性地基反力法不容许桩的位移过大，因此，对像桥台、桥墩等 桩结构物采用这种方法是适用的，而像栈桥、码头系缆浮标等可以容许有较大位移的桩 结构物，就应该根据位移修正弹性系数，或是采用非线性弹性地基反力法或复合地基反 力法。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 地基系数后( z ) 表示单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所需加的力。大量实验 表明，地基系数不仅与土的类别有关，还跟深度有关。七( z ) 随深度变化的情况长期一来 一直是国内外学者们所争论的课题，到目前仍然没有一个绝对统一的方法。常用的多为 假定七( z ) 为单一参数的张氏法、k 法、m 法和c 法及吴恒立于1 9 9 1 年提出的综合刚度原 理和双参数法，这几种方法均事先假定地基系数随深度的函数关系，这些函数关系都能 在一定程度、一定类别的土质上达到对地基反力的模拟，但是，这些方法所基于的文克 尔假定在分析土时存在一定的缺憾，该假定忽略了桩周土介质的连续性和相互影响。另 外，实际试验表明，地基反力与挠度并非成比例关系，因此此法仅适用挠度不大的桥台、 桥墩等桩基的近似计算。对于大挠度的，如栈桥、码头等，则需要对地基系数按挠度进 行修正( 将k ( z ) 改为k ( z ，y ) ) 或者使用非线性弹性地基反力。 非线性弹性地基反力法 非线性弹性地基反力法中，最有代表性的是里法特提出的m = 0 5 的港湾研究所方 法。根据地基特性，港研法又分为刀= 1 的久保法和刀= 0 的林一宫岛法。但是非线性微 分方程很难用解析法或近似法求解，由于该方法计算的复杂性，所以在使用中往往受到 限制。 2 2 3 复合地基反力法( p y 曲线法) 当桩位移发展到较大时，土的非线性反应将变得突出，使得土压力与位移成线性关 系的求解方法不相适应。而且随着荷载的增大，线性弹性地基反力法不能反映出最大弯 矩所在位置向桩体深度方向发展的规律。由p - y 曲线法求得的桩变位或内力应同由弹性 方法求得的结果相协调，还应使地基反力系数法所用的地基反力系数同由p y 曲线求得 的土模量相一致。 p - y 曲线法最早由m a t l o c k 等人提出，并被列入美国a p i 规范。我国现行港工规范 中横向受荷桩的p y 曲线法基本上是借用美国a p i 规范的内容。 p - y 曲线法是目前最为流行的计算方法，该方法综合考虑了土的非线性、桩的刚度 和外荷载作用的性质等特点，能如实地把地基的非弹性性质及由地表面开始的进行破坏 现象反映到桩的计算中去，并且电子计算机的发展为该方法在工程中的广泛应用提供了 前提。对承受波浪、海流等循环水平作用的大直径海底桩，在地基中产生较大位移时， 应采用p - y 曲线法。 9 第二章桩基水平承载力计算方法的研究 2 3p - y 曲线法详述 2 3 1 软粘土中的p - y 曲线 ( 1 ) 确定桩侧极限土抗力只蟠1 静载作用时，软粘土的极限水平强度鼠，除了在地表附近之外，一般都在8 e 至 1 2 g 之间变化，有周期反复荷载作用时，比此强度低很多就达到破坏。当没有明确的判 断依据时，其值按下面方法计算。 设为极限水平承载力的转折点深度，通常认为在范围以内为浅层土，以下 为深层土，可由下式估算： ：旦( 2 - 5 ) 2 y d + j q 式中：d 一桩径，m m ； 7 一土体有效容重，k n m 3 ； e 一原状土不排水抗剪强度，k ，a ； ，一无因次常数，其值在0 2 5 0 5 之间，土较硬取小值。 泥面下深度为x 处的桩侧极限土抗力值只按下式确定： 戎+ 肛+ ，鲁 = 9 e 5 0 x rx x r 见y c p p y | y cp p y y c 0ooo0o o 51 0o 51 oo 51 o 0 7 23 0o 7 23 oo 7 23 o 1 0 08 o 0 7 2 0 7 2 x x r 1 5 0 1 0 0 0 7 2 x x r 如图2 1 所示，软粘土的p - y 曲线分为三个部分，分别由条曲线和三条直线组成。 其中o c d e f 段为短期静荷载作用下的p - y 曲线。 ( 0 y l y c 8 ) ( y y c 8 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 式中：尸一实际的水平抗力； y 一实际的水平向挠度； 咒一是达到极限土抗力一半时的位移值。 它的计算公式为： 儿= 2 5 c 。d ( 2 9 ) 式中：巳是原状土不排水试验，在l 2 最大应力时出现的应变。 o c d h i 段曲线适用于x 时的循环荷载，o c d g 段曲线适用于x 时的循环荷 载，各特征坐标如图所示。循环荷载情况下，3 y 儿 1 5 ，其关系式为直线方程： p 讣。6 等( 1 5 _ 小7 2 爿 p 聊 第二章桩基水平承载力计算方法的研究 七 “多q 特、e 载f 一g 厂 、弋载i ：x x r 。 ii 运 i i 冬 ii 6 i il 1 - 图2 - 1 软粘土的l r - y 曲线 n 9 2 - 1p i yc u r v eo fs o f tc l a y 2 3 2 砂土中的p - y 曲线 ( 1 ) 确定桩侧极限土抗力p 2 3 】 对于砂性土，浅层土和深层土的桩侧极限土抗力转折靠计算公式如下： = 与产 式中：c l 、c 2 、g 一系数，以缈为参数，查图2 - 2 可得； d 一桩径； 缈一砂土内摩擦角。 1 2 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 冬5 p u 翼4 垛 3 2 0 l | - 叼 ，j 。t j 一， ， ， ， ， 一， 一 一， lii ili ii ililiiii 1 0 0 u 藉 8 0 聪 4 0 2 0 o 内摩擦角由 图2 - 2 系数c 和由的函数关系 f i 9 2 - 2 r e l a t i o n sb e t w e e nc o e f f i c i e n to fca n d 叩 当x 时( 浅层土) ，桩侧极限土抗力只计算公式如下： = ( c l x 4 - c 2 d ) z x 当x _ _ - x r 时( 深层土) ，桩侧极限土抗力计算公式如下： = q d r x ( 2 ) p - y 曲线 某一给定深度x 的砂性土的p - y 曲线可用下式表示： 尸= 彳t a n h 彳k 虿xy 式中：彳一考虑循环荷载或短期静载状态的系数，按下式选取： 循环荷载：a = 0 9 短期荷载：彳= ( 3 。一。8 砉) 。9 k 一初始模量，以内摩擦角矽为参数，查图2 - 3 确定 ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第二章桩基水平承载力计算方法的研究 e 芝8 0 乏 z7 0 内序擦角由 2 8 “2 9 。3 0 。3 6 。4 0 。4 5 ” 多 2 04 06 08 01 0 0 相对密实度( ) 图2 - 3k 值曲线 l 瞄鸱- 3 v a l u ek 饥n r 伪 2 3 3 硬粘土中的p - y 曲线 硬粘土比软粘土更具脆性，在静荷载条件下，对于巳大于9 0 k p a 的硬粘土，其桩侧 极限土抗力见与软粘土一样，在8 c u 到1 2 c 之间，而在循环荷载条件下，见值有很大 的减小。 硬粘土也具有非线性的应力一应变关系，因此需要p - y 曲线能够反映在大挠度下硬 粘土的承载力迅速下降的性质。在工程中，一般采用现场土的试验资料绘制它的p - y 曲 线。 2 4 本章小结 本章从通过对桩土相互作用理论方面的研究文献的综述，分析了独立桩的