0 引　言

拔桩的难易程度是衡量自升式平台总体性能优劣的重要指标之一，它对平台的机动性能以及平台的安全都有重要的影响，因此顺利拔出插入泥土中的桩靴是保证自升式平台安全的基本要求。本文根据ABS规范，以JU2000E自升式平台为研究对象，通过建立桩靴与土的模型，进行3种桩靴形式的拔桩力研究，利用有限元分析软件LS-DYNA完成3种桩靴上拔过程的仿真分析，获得不同桩靴结构形式在拔桩过程中上拔力等特性，并把计算结果和经验公式计算结果进行对比分析。

1 圆形桩靴上拔力数值模拟 1.1 桩靴与土模型

为了更好地模拟桩靴上拔过程中挤压周围土体的整个过程，本文在桩靴模型上方建立了土体模型，对土体模型进行网格划分时取0.5 m，桩靴下部分的土体模型取2 m，圆弧边进行8等分的细化。建立1/4桩靴模型以及单层土作为桩靴上拔过程的研究对象，拔桩模型如图1所示。

1.2 模型参数设置

桩靴的材料主要采用AH36、DH36和EH36钢，在3个主舱壁和桩腿连接处采用EQ70高强度钢。其中AH36，DH36和EH36材料的屈服强度为355 MPa，考虑安全系数为1.1，所以许用屈服强度为320 MPa；EQ56材料的屈服强度为690 MPa，安全系数为1.11，得到许用屈服强度为621 MPa。利用Ansys Workbench中的LS-DYNA进行拔桩数值模拟时，根据国内学者选取过的参数设置，土体、钢的主要参数及桩靴尺寸如表1所示。

1.3 边界条件设置及接触

海底的底基对桩靴的作用是非线性接触，但这种施加约束的方法不便在工程实际中操作和实施。本文综合考虑了各种因素，将均布载荷施加到桩靴底部，在桩靴整体模型的顶部3个支点处采用简支。土体采用六面体单元划分，边界条件施加方式如下：土体模型底部做竖向约束，选择底部2个面，使Z=0；土体模型侧面施加位移约束，即横向和竖向的面固定；对桩靴施加竖直方向的速度，使Z=0.3；顶面不施加约束，土体和桩靴之间共定义6组接触对。

拔桩过程中，垂直向上的力有船体浮力和桩腿、桩靴浮力两部分。垂直向下的力有4部分：桩腿、桩靴的重力、桩靴底部的吸附力、桩靴侧面的摩擦阻力和桩靴上部覆土压力。拔桩阻力包括桩靴底部的吸附力、桩靴侧面的摩擦阻力、桩靴上部覆土作用力和被移动土体的侧面阻力。现有的资料对桩土之间摩擦系数的探讨尚未成熟，同时考虑到桩腿是细长构件，因此桩土之间的摩擦可以忽略。

1.4 计算结果分析

设置桩靴底部距离土体表面9 m，上拔速度为0.3 m/s，选取60 s作为整个上拔过程所需要的时间，选取不同时间点的上拔力，如表2所示。

经LS-DYNA准静态计算得出桩靴上拔力与上拔时刻之间的相互关系（见图2）和桩靴上拔过程中土体位移和桩靴上拔时间的相互关系（见图3）。

从图2可以看出，上拔力在10 s左右达到最大值，并在23 s以后开始减小，在40 s之后趋于0，桩靴被完全拔出。由于1/4模型的桩靴临界上拔力为18 621 kN，所以整个桩靴的拔桩力为74 484 kN。从图3可以看出，在相同时间内，拔桩速度越大，桩靴上拔的土体位移就越大，在这个过程中发生剪切变形的土壤就越多。因此，拔桩阻力会随着速度的增大而增大。

1.5 不同时刻拔桩土体流动机制分析

图4为平台拔桩过程中土体流动的情况，桩靴周围为土体流动机制的主要分析区域。

从图4可以看出，在拔桩初期，由于桩靴埋的位置较深，土壤破坏只是发生在桩靴的周围，桩靴上表面的土壤在上拔力影响下发生剪切，沿着桩靴侧表面流动至桩靴底部；11 s之后，由于此时桩靴距离土壤表面较近，因此在剪切力的作用下破坏面从桩靴一直延续到土壤表面，在表面形成隆起，直至拔桩作业结束。

综上所述，拔桩过程中的土壤流动机制可以分为2种状态：浅基础状态下，土壤只产生空腔和表面的隆起；深基础状态下，土壤会沿桩靴壁面形成土壤回流。

2 不同桩靴形式对桩靴上拔力影响研究 2.1 桩靴与土模型

为选取最佳桩靴形式,对正六边形、正十二边形2种桩靴的上拔力进行分析。正六边形模型和正十二边形模型参数、边界条件和接触对参考圆形桩靴进行设置，几何模型和数值模型如图5所示。

2.2 计算结果分析

3种桩靴上拔过程中相同时刻上拔力对比如表3所示。

经过LS-DYNA准静态计算得出正六边形、正十二边形2种桩靴形式上拔过程中上拔力与上拔时刻的关系，3种桩靴形式的时间-上拔力对比曲线如图6所示。

从表3和图6中可以看出，圆形桩靴在11.4 s达到临界状态，临界上拔力为18 621 kN，六边形桩靴在9.3 s达到临界状态，临界上拔力为16 654 kN，十二边形桩靴在9.4 s达到临界状态，临界上拔力为17 988 kN。对比可得，圆形桩靴所需的上拔力最大，相对于六边形桩靴和十二边形桩靴较难拔出，原因是圆形桩靴外圈圆为六边形桩靴和十二边形桩靴的外接圆，因此圆形桩靴的侧表面积与泥土接触比其他2种桩靴形式接触面积大，导致圆形桩靴上拔力比其他2种桩靴大。

经过LS-DYNA准静态计算得出正六边形、正十二边形2种桩靴形式上拔过程中土体位移和桩靴上拔时间的相互关系，3种桩靴形式的时间-土体位移对比如图7所示。

从图7中可以看出拐点前后土体变形的速率发生了变化，但3种桩靴的土体位移和上拔时间曲线走势基本一致，说明了土体的非线性特征。

2.3 不同桩靴形式土体流动机制分析

桩靴上拔过程中，不同桩靴形式在相同时刻土体发生不同的变化，选取正六边形、正十二边形2种桩靴上拔过程中几个关键的时刻，提取土体位移随时间变化的趋势，如图8～图10所示。

对图8～图10分析可得，六边形桩靴相比于另外2种桩靴更容易被拔出。3种桩靴拔出之后，圆形桩靴和六边形桩靴所形成的空腔比十二边形桩靴大，说明圆形桩靴和六边形桩靴周围土体发生的流动比十二边形桩靴周围发生的土体流动大

3 桩靴上拔阻力理论计算值与数值模拟结果比较

由于有限元模拟时没有考虑桩腿摩擦力对拔桩力的影响，因此对桩靴上拔力理论计算的时候也忽略桩腿摩擦力对上拔力计算的影响。在桩靴最大上拔力的计算过程中，采用以下表达式：

${F_u} = {N_c}{c_u}A + {A_s}{f_s} + {W_g}\text{。}$

其中： ${N_c}$ 为桩靴上拔力系数； ${c_u}$ 为土体不排水剪切强度； $A$ 为桩靴最大直径处横截面积； ${W_g}$ 为桩靴和桩腿浮重量； ${A_s}$ 为桩靴和桩腿与土体接触的侧表面面积； ${f_s}$ 为桩靴和桩腿单位侧表面上土的平均摩擦力。

3种桩靴理论计算结果和数值模拟结果如表4所示。

由表4可以看出，正六边形桩靴上拔力理论计算值最小，圆形桩靴上拔力理论计算值最大，与数值模拟的结论一致。由于理论计算值没有考虑土体和孔隙水的影响，导致计算结果偏小，因而与数值模拟计算结果有一定的偏差。

4 结　语

本文利用Ls-dyna经过准静态分析完成3种桩靴形式上拔力的计算，获得了不同桩靴结构形式在拔桩过程中的特性，并把计算结果和经验公式计算结果进行了对比分析：

1）通过对圆形桩靴与土体之间的模型分析，得知在桩靴上拔过程中，土体的变形主要发生的桩靴周围，远离桩靴的土体基本不发生变形。此外，通过研究桩靴上拔时刻与土体位移的关系，得知拔桩阻力会随着速度的增大而增大。

2）通过计算、对比分析圆形桩靴、六边形桩靴、十二边形桩靴上拔过程中所需要的上拔力，得知圆形桩靴临界上拔力最大，其次是十二边形桩靴，六边形桩靴最小。由此可知，桩靴上拔力随着接触面和侧表面接触面积的增大而增加。

3）采用公式F_u=N_cc_uA+A_sf_s+W_g所计算的桩靴上拔力和LS-DYNA数值模拟的拔桩力进行比较，得知相对其他2种桩靴，圆形桩靴计算的理论值与数值模拟的差值更小，更接近实际情况。