一种水平力下插桩对邻近群桩相互作用影响的评估方法技术

本发明专利技术公开了一种水平力下插桩对邻近群桩相互作用影响的评估方法，步骤为：依据工程地质参数及桩靴与邻近群桩位置，建立三维弹塑性CEL群桩模型；根据桩身参数及桩头约束条件，通过API规范结合非线性地基梁模型确定承台施加的最大水平力；确定群桩组在最大水平力作用下各桩在插桩过程中的桩头反力和桩头位移；根据群桩组中各桩与桩靴的相对位置建立对应的三维弹塑性CEL单桩模型；通过幅值曲线把提取的桩头反力施加到对应的CEL单桩模型桩头，确定出各单桩在插桩过程中的桩头位移；确定插桩过程中群桩相互作用引起的附加位移及相互作用系数，对水平力作用下钻井船插桩对邻近群桩相互作用影响程度进行评估。

An evaluation method for the interaction of adjacent pile groups by inserting piles under horizontal force

【技术实现步骤摘要】
一种水平力下插桩对邻近群桩相互作用影响的评估方法
本专利技术涉及海洋工程
，特别是涉及海上石油开发过程中的一种水平力下插桩对邻近群桩相互作用影响的评估方法。
技术介绍
自升式钻井船是一种具有平台功能的工程船，因为较大的承载能力、良好的稳定性以及灵活的移动能力等优点广泛应用于海洋石油开发。钻井船常常需要在已建成的导管架平台附近作业，在钻井船安装就位的过程中，需要贯入大直径的桩靴以作为基础固定平台，在插桩过程中，若距离已有平台很近，将对邻近桩基产生较大影响。现有研究表明，在水平荷载作用下，当群桩中相邻两桩的桩间距小于临界桩间距时，各单桩将通过桩间土的相互作用产生群桩效应，所以在国内外相关研究基础上，研究钻井船插桩过程对邻近群桩相互作用影响，具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中存在的技术问题而提供一种水平力下插桩对邻近群桩相互作用影响的评估方法。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种水平力下插桩对邻近群桩相互作用影响的评估方法，包括以下步骤：1）依据工程地质参数及桩靴与邻近群桩位置，建立三维弹塑性CEL群桩模型；2）根据桩身参数及桩头约束条件，通过API规范结合非线性地基梁模型确定承台施加的最大水平力；3）确定群桩组在最大水平力作用下各桩在插桩过程中的桩头反力和桩头位移；4）根据群桩组中各桩与桩靴的相对位置建立对应的三维弹塑性CEL单桩模型；5）通过幅值曲线把步骤3）中提取的桩头反力施加到对应的CEL单桩模型桩头，确定出各单桩在插桩过程中的桩头位移；6）确定插桩过程中群桩相互作用引起的附加位移及相互作用系数，对水平力作用下钻井船插桩对邻近群桩相互作用影响程度进行评估。进一步地，步骤1）中，所述依据工程地质参数及桩靴与邻近群桩位置，建立三维弹塑性CEL群桩模型，具体包括：根据土体参数、假定的桩基参数、桩靴参数、桩靴与桩基相对位置，建立桩靴一土体一桩基相互作用的三维弹塑性有限元模型。进一步地，步骤2）中，所述根据桩身材料及桩头约束条件，通过API规范结合非线性地基梁模型确定承台施加的最大水平力，具体包括：①根据桩径及桩身材料屈服强度，通过材料力学理论确定出桩身极限弯矩；②利用ABAQUS有限元软件根据所采用桩的参数及桩头约束条件建立非线性地基梁模型；③在模型的桩身上沿深度方向每隔一设定距离加设一弹簧，土弹簧节点的参数根据API规范建议的的p-y曲线确定；④在非线性地基梁顶部反复施加水平荷载，来获取模型桩身在相应水平荷载作用下的最大弯矩，直至在非线性地基梁模型顶部施加的水平荷载使模型桩身的最大弯矩与所采用桩的极限弯矩相等，确定该水平荷载为所采用桩单桩桩头可承受的极限水平荷载；⑤将所采用桩单桩桩头可承受的极限水平荷载除以一个安全系数即为单桩桩头施加水平荷载的最大允许值；⑥将单桩桩头施加水平荷载的最大允许值乘以邻近群桩中桩的数量即为群桩组承台施加的水平荷载的最大允许值。进一步地，步骤4）中，所述根据群桩组中各桩与桩靴的相对位置建立对应的三维弹塑性CEL单桩模型，此CEL单桩模型中土体参数、桩身参数、桩靴尺寸、网格划分，均同CEL群桩模型一致。进一步地，步骤6）中，所述确定插桩过程中群桩相互作用引起的附加位移及相互作用系数，对水平力作用下钻井船插桩对邻近群桩相互作用影响程度进行评估，具体包括：Poulos相互作用系数法因其概念明确，计算简便，被广泛应用于群桩基础的相互作用计算中，因此该处的附加位移及相互作用影响系数也采用该方法。即附加位移等于群桩桩头位移减去对应的单桩桩头位移，相互作用系数等于附加位移除以对应单桩的桩头位移。本专利技术的有益效果体现在：（1）相对于模型试验，本专利技术能精确提取带承台群桩组中各桩的桩头反力。（2）本专利技术由于采用有限元CEL（耦合欧拉一拉格朗日方法）方法对钻井船插桩过程进行数值模拟，该方法吸取了拉格朗日分析与欧拉分析的优点，相比于传统拉格朗日有限元方法，解决了桩靴深入泥时土体大变形可能导致的土体有限元网格严重扭曲的问题。（3）本专利技术实施方便、经济性好、土壤实用广、可灵活调整桩靴与桩的相对位置及桩间距大小等优点。（4）本专利技术建立了一种便于工程应用的实用计算方法，可快速评估不同工况时钻井船插桩对邻近群桩相互作用的影响程度，促进了海洋石油开发技术的进步与创新。附图说明本专利技术上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：图1为本专利技术评估方法的流程图；图2为本专利技术实施例1CEL群桩模型图；图3为本专利技术实施例1非线性地基梁模型图；图4为本专利技术实施例1前桩CEL单桩模型图；图5为本专利技术实施例1后桩CEL单桩模型图；图6为本专利技术实施例1插桩过程中各桩桩头反力变化图；图7为本专利技术实施例1插桩过程中桩头附加位移变化图；图8为本专利技术实施例1插桩过程中群桩相互作用系数变化图。具体实施方式下面结合附图和实施例1对本专利技术作进一步说明：实施例1参照图1-图8所示，一种水平力作用下钻井船插桩对邻近群桩相互作用影响的评估方法，包括以下几个步骤：1）依据工程地质参数及桩靴与邻近群桩位置，建立三维弹塑性CEL群桩模型；2）根据桩身参数及桩头约束条件，通过API规范结合非线性地基梁模型确定承台施加的最大水平力；3）确定群桩组在最大水平力作用下各桩在插桩过程中的桩头反力和桩头位移；4）根据群桩组中各桩与桩靴的相对位置建立对应的三维弹塑性CEL单桩模型；5）通过幅值曲线把步骤3）中提取的桩头反力施加到对应的CEL单桩模型桩头，确定出各单桩在插桩过程中的桩头位移；6）确定插桩过程中群桩相互作用引起的附加位移及相互作用系数，对水平力作用下钻井船插桩对邻近群桩相互作用影响程度进行评估步骤1）中，所述依据工程地质参数及桩靴与邻近群桩位置，建立三维弹塑性CEL群桩模型，具体包括：：CEL群桩模型竖直方向取70m，水平方向取75m。为了模拟钻井船桩靴贯入土层时，桩靴周围土体的隆起与流动，在CEL群桩模型0m至10m范围内设置欧拉空穴区域，10m处为泥面，泥面以下60m范围内为土单元。桩靴最大直径为18m，邻近群桩通过刚性承台连接，各桩桩直径d取1.5m，桩长取51m，壁厚取0.025m，将邻近群桩转化为实体桩后，各桩弹性模量为26.12Gpa，泊松比取为0.3。邻近群桩与桩靴之间的净间距取4.5m（0.25D），桩间距取4.5m（3d），桩靴最大直径贯入深度为15m。粘土的平均有效重度为6kN/m3，粘土层的不排水抗剪强度Su采用Su=1.5z+2式中：z是泥面以下深度。步骤2）中，所述根据桩身参数及桩头约束条件，通过API规范结合非线性地基梁模型确定承台施加的最大水平力，具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水平力下插桩对邻近群桩相互作用影响的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1）依据工程地质参数及桩靴与邻近群桩位置，建立三维弹塑性CEL群桩模型；/n2）根据桩身参数及桩头约束条件，通过API规范结合非线性地基梁模型确定承台施加的最大水平力；/n3）确定群桩组在最大水平力作用下各桩在插桩过程中的桩头反力和桩头位移；/n4）根据群桩组中各桩与桩靴的相对位置建立对应的三维弹塑性CEL单桩模型；/n5）通过幅值曲线把步骤3）中提取的桩头反力施加到对应的CEL单桩模型桩头，确定出各单桩在插桩过程中的桩头位移；/n6）确定插桩过程中群桩相互作用引起的附加位移及相互作用系数，对水平力作用下钻井船插桩对邻近群桩相互作用影响程度进行评估。/n

【技术特征摘要】
1.一种水平力下插桩对邻近群桩相互作用影响的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）依据工程地质参数及桩靴与邻近群桩位置，建立三维弹塑性CEL群桩模型；
2）根据桩身参数及桩头约束条件，通过API规范结合非线性地基梁模型确定承台施加的最大水平力；
3）确定群桩组在最大水平力作用下各桩在插桩过程中的桩头反力和桩头位移；
4）根据群桩组中各桩与桩靴的相对位置建立对应的三维弹塑性CEL单桩模型；
5）通过幅值曲线把步骤3）中提取的桩头反力施加到对应的CEL单桩模型桩头，确定出各单桩在插桩过程中的桩头位移；
6）确定插桩过程中群桩相互作用引起的附加位移及相互作用系数，对水平力作用下钻井船插桩对邻近群桩相互作用影响程度进行评估。


2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，步骤1）中，所述依据工程地质参数及桩靴与邻近群桩位置，建立三维弹塑性CEL群桩模型，具体包括：根据土体参数、假定的桩基参数、桩靴参数、桩靴与桩基相对位置，建立桩靴一土体一桩基相互作用的三维弹塑性有限元模型。


3.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，步骤2）中，所述根据桩身材料及桩头约束条件，通过API规范结合非线性地基梁模型确定承台施加的最大水平力，具体包括：
①根据桩径及桩身材料屈服强度，通过材料力学理论确定出桩身极限弯矩；
②利用ABAQUS有限元软件根据所采用桩的参数及桩头约束条件建立非线性地...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆功，王建华，
申请(专利权)人：天津大学前沿技术研究院，
类型：发明
国别省市：天津;12