大直径超长钢管桩溜桩行为研究

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大直径钢管桩本身自重大、沉桩阻力小、容易贯入,并且考虑到其生产工艺成熟、施工效率高以及承载能力强的特点,因此在深海及沿海软土层厚、持力层深的地区得到了广泛的使用,近年来也被越来越多地应用在深水码头、跨海大桥、钻井平台及海上风机等海洋工程中。由于前期地勘资料不准确或打桩过程中操作不当等,在大直径钢管桩安装施工过程中,常常产生溜桩事故。溜桩事故容易造成钢丝断裂及桩锤损坏,更为严重的后果会造成桩锤掉入大海或者打桩锤报废。为了降低溜桩事故损失,预测大直径管桩的溜桩行为具有重要意义。本文引入土体应变软化及率效应模型,同时考虑了桩-土界面行为,基于耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)方法,建立了模拟大直径超长钢管桩在多层土中溜桩过程的大变形有限元数值分析模型。利用所建立的溜桩数值模型,模拟了发生在中国南海的现场溜桩工况,数值模拟结果和现场的溜桩实测数据吻合良好。通过数值模拟再现了溜桩过程中的土体流动,揭示了多层土中的溜桩机理,为在工程中准确预测溜桩提供了一种可靠的方法。研究了包括砂性土最大剪应力、粘性土最大剪应力、砂性土剪胀角、应变软化系数、应变率系数及参考应变率等参数对溜桩行为的影响,进一步明确了大直径管桩溜桩过程的影响因素和运动规律。根据提出的溜桩数值模拟方法,对现存可查的几个真实溜桩工况进行了数值分析,包括中国南海BH3溜桩工况、中国东海溜桩工况、美国旧金山溜桩工况及印度西海岸溜桩工况。对以上溜桩实例的预测均取得了较好的结果。除了通过大变形数值分析方法的手段来预测溜桩之外,本文也提供了一种直接利用现场静力触探(CPT)数据预测溜桩行为的方法。通过对CPT桩端阻力设计方法及桩侧摩阻力设计方法的对比分析,提出了基于CPT计算公式的溜桩预测方法。提出的预测方法达到了较好的预测效果,使得通过CPT现场数据直接高效地预测溜桩成为了可能。
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