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GRLWEAP软件解读海上沉桩过程中压拉应力问题
发布时间:2023-10-27 浏览次数:23221 来源:欧美大地

对于海洋桩基平台来说,由于海上环境与陆地有很大不同,不便进行实地试验,所以在打桩前对打桩过程进行模拟分析非常有必要。国外Goble Rauche Likins and Associate Inc.公司推出的GRLWEAP程序(中文名称:模拟打桩过程软件),可全面地模拟桩锤、打桩系统及桩在中土的运动及受力状态,具有模拟打桩过程的功能。


海上基础用桩大多采用大口径开口高强度钢管桩,施工难度大,单桩造价高。实际施工中如果桩身应力超过桩身材质的屈服强度,俗称桩打劈了,就会造成很大的经济损失。GRLWEAP软件就具备这种功能,在已知了桩的参数、详细的地质资料的情况下,可以模拟计算出不同桩锤、不同冲程下桩身在某个入土深度的压拉应力。设计单位可以依据计算结果来验证方案合理性,施工单位可以指导进一步施工,如在某个土层更改冲程控制锤的输入能量和打击力来达到减小应力。



桩身容许应力一般性规定

海上用桩桩身材质一般为高强度钢材,比如我们经常遇见的Q345、Q425,根据API RP WSD推荐,打桩动应力钢桩不应超过屈服强度σ的90%,如Q345钢桩,则桩身最大容许应力为Fa=0.9×345=310Mpa。需要我们注意的是,在不同机构和不同的国家规范中对容许应力的限值是不一样的。下表为国外联邦高速公路管理局推荐的各个不同材质的桩型轴向打桩容许应力值,供大家参考。

不同材质的桩型轴向打桩容许应力值



GRLWEAP软件对打桩应力的模拟计算

GRLWEAP波动分析方程中,将桩、锤、土、桩垫或锤垫分别设置成计算模型,依据软件内置计算程序与收敛条件,GRLWEAP会计算出在某个贯入度下沿着桩身的应力分布。根据某个工程的实际模拟输出结果为例(图1,图2),从图1可以直观的观察到桩身应力在沉桩过程中的变化情况与趋势,图1(b)横坐标为压应力沿深度的分布,下横坐标为拉应力沿深度的分布。从图2可以直接观看在入土深度为80m的时候,桩身的最大压拉应力发生的数值与位置。


工程实际模拟输出结果


但需要注意的是,从沉桩可打性分析的计算结果可知,最大应力可能产生在沉桩过程的某一贯入深度时,而不一定是在最大入土深度时发生。GRLWEAP软件的输出文件给出的是入土深度最大时对应的最大应力的位置,没有给出沉桩过程中实际最大应力的位置。如果设计需要知道沉桩过程中实际最大应力发生的位置,可以按照以下步骤实现:

(1)根据计算结果找出最大应力发生时对应的贯入度;

(2)以这个入土深度作为最大贯入深度,更改桩模型与土模型;

(3)从更改模型后的计算中找出实际最大应力发生的位置与大小;

比如本次计算,最大拉应力为103.7mpa,发生的位置在入土深度为46米处产生,我们就可以用46米作为最终的入土深度来调整桩土模型进行计算,从而可以得出实际的最大拉应力发生的具体位置。



数据解读

在打桩过程中压拉应力作用的机理比较复杂,产生的原因也有很多,比如锤的打击力、桩身的材质、桩身的截面尺寸,土的性状、桩垫或替打的材质等等,甚至与桩的制作与吊装堆放都有关系。这就需要我们工程师有丰富的工程经验。GRLWEAP软件的作用可以模拟计算出在打桩过程中的最大压拉应力,工程师可以观察压拉应力发生的数值与位置来分析判断是哪种原因导致了问题的产生,以来优化设计方案和指导施工。

比如我们计算出在某个贯入度的时候压应力过高,就可以降低锤的冲程以减少打击力,或直接选一个比较小的锤,或提高桩身的材料强度,或增大桩身截面。总之:GRLWEAP软件可以模拟计算出桩身轴向应力的大小,使工程师通过优化设计与施工方案来确保应力始终在材料强度的容许范围之下。


下图为GRL公司建议的一个判断标准,供大家参考:

可打性判断标准

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