摘 要

自二十世纪八十年代以来, 吸力桩技术已被用作海上构筑物的系泊系统。近年来，随着对能源需求的日益增加，海洋石油、天然气等能源的开采已由近海走向了深海。相比于浅海平台，深海平台的系锚荷载有明显增加。为解决锚固技术在深海平台应用时的极限承载力问题，近年来有许多专家学者致力于对锚固系统极限承载力的影响因素的研究。对于吸力式锚桩的数值仿真模拟有助于了解其工作机理，并且对吸力桩结构的设计规范或统一标准有参考价值。本论文利用ABAQUS有限元软件，采取总应力分析法，建立了在不排水条件下饱和软粘土中吸力桩受承载力作用的三维有限元模型。通过三维有限元模型的计算，得到了不同角度的斜向荷载以及不同高度的作用点位置对吸力桩极限承载力造成 的影响，并且通过变动土体材料参数研究数值模型中各参数对计算结果的影响，以得到最佳作用点位置和最佳斜向荷载作用力角度，为吸力桩结构的设计提供参考。

关键字：饱和软黏土；有限元；吸力桩；极限承载力

ABSTRACT

Since the 1980s, suction caissons/piles have been used for offshore structures. In recent years, with the increasing demand for energy, the exploitation of ocean oil, natural gas and other energy sources has moved from offshore to deep sea. Compared with the shallow water platform, the anchor load of the deep-sea platform increases obviously. In order to solve the problem of ultimate bearing capacity in the application of anchoring technology in deep-sea platform, many experts and scholars have been working on the influence factors of ultimate bearing capacity of suction caissons/piles in recent years. The numerical simulation of suction caissons/piles is helpful to understand its working mechanism and to the design of suction caissons/piles.

Based on the total stress analysis method, a three-dimensional finite element model of the load bearing capacity of the suction caissons/piles in saturated soft clay is established by using ABAQUS finite element software. Through the calculation of three-dimensional finite element model, the ultimate bearing capacity of oblique loads at different angles and the effect of different heights on the ultimate bearing capacity are obtained, and the influence of the parameters of the numerical model on the calculation results is studied by changing parameters, so as to obtain the best action point and the best oblique load force angle. It provides a reference for the design of suction caissons/piles.

Keywords: Saturated soft clay；finite element；suction caissons/piles；ultimate capacity bearing

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本论文研究的问题和主要内容 2

第2章 斜向荷载作用下吸力桩2D有限元模型的建立与分析 3

2.1 ABAQUS有限元软件的介绍 3

2.2 二维有限元模型的建立 3

2.3 计算结果的分析比对 4

第3章 斜向荷载作用下吸力桩3D有限元模型的建立与分析 8

3.13有限元模型的建立 8

3.1.1模型简化过程 8

3.1.2本构关系的选则 8

3.1.3吸力桩和土体的接触模型 12

3.1.4 加载方法和极限承载力的判断方法 13

3.1.5 网格划分和边界条件的设定 13

3.1.6具体模型的建立过程 13

3.2 有限元工况分析和模拟结果 17

3.2.1 斜向力作用角度与极限承载力的关系 19

3.2.2 斜向力作用点位置与极限承载力的关系 25

3.3小结 26

第4章 不同材料参数对极限承载力的影响 27

4.1海洋土体的粘聚力对吸力桩承载力的影响 27

4.2摩擦角对吸力桩承载力的影响 28

总 结 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

近年来，随着常规石油资源的日益开采，人们将视野放到了海洋石油资源的身上，海洋油气资源的储量可以达到1000-2500亿吨油当量，占探明总资源的34%。随着人们对于能源的需求日益提高，海洋石油的开采占比逐年提高。未来的石油天然气开采重心在海洋，这是所有国家已经达成的共识。随着科学技术的发展，已经可以在深海进行石油天然气的开采。伴随着海洋能源工业不断向深海发展，许多新型海洋结构及基础如立柱式和半潜式平台、张力腿平台（TLP）等在工程中得到了越来越多的应用。

吸力式锚桩是一种圆柱形薄壁结构，顶部封闭、底部开口。通过真空泵抽水使桩内真空，与外部形成压力差从而贯入海中，类似一个倒扣在土中的“水桶”。 为方便计，以下将吸力式锚桩简称为吸力桩。 吸力桩的重量小，所以吸力桩便于安装和运输。施工时间短、基础稳定性实现较快、便于在海上恶劣气候的间隙施工、材料和制造成本低廉更是它独有的优势。与传统基础相比，吸力桩基础节约了材料的使用量，施工时的定位更加精准，而且更便于在深海进行作业。因此，吸力式锚桩技术在深海工程中得到广泛应用。但是由于吸力式锚桩在我国的应用时间相对较短，目前的设计与施工经验还不多。我国主要参考API RP2SK（2015）等规范。

在吸力桩安装完成之后，由于吸力桩的顶部是密封的，在承受荷载的过程中，吸力桩顶部区域会产生吸力，吸力会增强吸力桩的承载能力，同时使得于吸力桩接触的内外土体产生明显的性状变化。本项目的主要目的是利用三维有限元程序分析吸力式锚桩的承载力，建立合适系力点位和极限承载力的关系，为吸力式锚桩的设计提供参考。

1.2 国内外研究现状

伴随着能源的开采不断向深海探索，一些新型海洋结构和基础在工程中得到了广泛的应用。和浅海平台相比，深海平台的吸力桩结构在竖向承受的载荷是向上的拉力而不再是向下的拉力，并且载荷明显增大。吸力桩的极限承载力多取决于水平荷载的大小。因此，吸力桩在深海中的承载特性和承载力的计算方法是吸力桩应用于深水海洋工程的关键性问题。

Aubeny，Han，Murff ^[1]研究了吸力式沉箱在各向异性纯粘性土中的承载能力。以修正后的Hill屈服准测，利用ABAQUS中提供的各向异性屈服选项进行了有限元模拟，并对侧向载荷能力的一系列塑性极限分析（PLA）预测与有限元法（FEM）模拟结果进行了对比。该文提出了在各向异性粘土中吸力式沉箱水平承载力的塑性极限公式，这为提高吸力式沉箱水平承载能力的分析计算提供了一种方法。

Byrne，Houlsby^[2]设计了一个实验，该实验有关吸力式沉箱在瞬态联合荷载作用下的响应。该文介绍了在典型的循环荷载条件下，在吸力式沉箱模型上进行的试验。将地基埋在油饱和砂土中，模拟典型的近海条件。在不同的竖向载荷作用下进行实验, 表明响应取决于竖向载荷的大小，并且建立了无量纲关系来解释这种现象的原因。得到以下结论，加载速率对荷载-位移曲线的影响不大。

刘金龙，陈望陆，王吉利等人^[3]研究了海洋工程中吸力桩基础的水平承载力特征。描述了吸力桩基础的三维有限元计算模型，进行了吸力桩水平承载力分析，得到了水平荷载作用点沿高度变化对沉箱破坏形式、旋转点位置和水平承载力极限产生的影响。

Cao ^[4]进行了不同性质的粘土中吸力式沉箱的离心建模与数值分析。该论文介绍了在普通固结粘土和微固结粘土中吸力式沉箱的离心模型，测量了粘土在吸力式沉箱安装和拔出阶段的渗透阻力剖面、非均质性的分布和耗散、不排水剪切强度剖面、被动吸力和拔出能力。离心试验结果表明, 渗透阻力不仅依赖于土壤性质, 还取决于土壤的有效应力。他们对垂直荷载作用下吸力式沉箱的行为进行了数值研究，建立了基于离心模型试验的有限元模型，并利用离心机实验结果验证了该数值模型的正确性。有限元分析结果证实了离心试验中发现的吸力式沉箱失效机理。

张其一，王青华^[5]进行了深海吸力式锚桩极限承载力的研究。该文对吸力式锚桩的二维有限元模型、加载模式进行了分析和比对，分析了加载方向和加载作用点对锚桩极限承载力造成的影响。传统的加载模式得到的吸力桩极限承载力结果相对保守，由该文的加载模式得到的结果更加贴近真实值。

刘红军，张浩，李洪江等人^[6]进行了伞式吸力桩基础水平承载力的有限元分析。他们通过小尺寸模型试验确立了USAF（伞式吸力桩基础）的位移控制标准，建立了有限元模型并对其进行了验证；研究了加载方向对USAF极限承载、转动中心以及土体变形的影响并得到一些有效结论。

张其一，王美生，栾茂田^[7]研究了深海吸力桩的承载特性与稳定性，建立了数值计算模型和加载模型，并对得到的极限承载力进行了分析，分析了失稳破坏模式。得到以下结论：系泊点位置会对吸力桩的极限承载力和稳定性产生显著的影响，当系泊点位置在吸力桩入泥深度约为3/5处，吸力桩的承载能力和稳定性最佳。

李飒，张彦龙，李怀亮等人^[8]研究了吸力桩桩链与土体之间的相互作用对吸力桩极限承载力造成的影响，建立有限元模型并得到计算结果，分析了桩链链径对锚链和土相互作用的影响以及吸力桩的杨氏模量对锚链和土相互作用的影响。

王丽勤，庞然，高杰^[9]对粘土中倾斜荷载作用下深水吸力桩的极限承载力进行了有限元模拟计算。该文采用塑性极限法对有限元模拟结果进行了比对，验证了计算结果的合理性，对吸力桩在我国的研究和开发应用具有参考价值。

国振，王立忠，袁峰^[10]进行了吸力桩在粘土中的沉贯阻力与土塞形成的实验。实验结果表明，负压抽吸对吸力桩内部土体的性状影响较大，而对外部土体的性状影响较小。在粘土中进行吸力沉贯时，API规范对最大容许吸力的估算较为精准。

刘耀江, 刘作榆, 方霖等人^[11]分析了吸力桩沉贯过程，该文阐述了吸力桩在海上的安装过程，对吸力桩在沉贯过程中的土涌现象作了简要分析，并且给出了对应不同情况的应对方案。

王建华，刘晶磊，周扬锐^[12]设计了张紧式吸力桩在循环荷载作用下的承载特性的模型实验。分析了吸力桩的破坏模式、加载方向和静载荷对循环承载力的影响。实验结果表明，如果吸力桩受到的竖向极限抗力小于水平极限抗力，那么吸力桩的破坏形式为被竖向平移拔出土体。当静荷载比为0.5时，吸力桩能承受的循环荷载最大。

王建华，刘晶磊，陈文强^[13]分析了作用力角度对吸力桩极限承载力的影响。该文利用真空预压法在实验池内模拟了实际的土体，选择不同的加载方向，对吸力桩进行加载至吸力桩达到极限承载力，分析了加载方向对吸力桩破坏形式和极限承载力的影响。如果将吸力桩端部的反向承载力系数取为常数，则不能反应加载方向的变化对吸力桩极限承载力造成的影响。所以该文依据模型实验的结果，提出了一种反应加载方向与吸力桩反响承载力的修正关系。

张宝杰^[14]研究了近海吸力桩基础的应用历史和研究现状。对有关吸力桩的研究现状进行了分类综述；对吸力桩在国内的应用历史、吸力桩承载力研究现状、吸力桩稳定性研究现状进行了概括总结。

刘晶磊，王建华^[15]进行了张紧式吸力桩在软粘土中破坏标准的模型试验，并且建立了有限元模型进行分析比对。结果表明，对应不同的破坏模式，吸力桩破坏时对应的位移是不同的。当吸力桩为竖向破坏时，对应吸力桩沿系泊点方向的位移为0.6倍的桩径左右；当吸力桩为水平破坏时，对应吸力桩沿系泊点方向的位移为0.63的桩径左右。按照试验的模型建立三维有限元模型，将有限元计算结果与实验结果进行对比，验证了试验所得位移破坏标准的合理性。

1.3 本论文研究的问题和主要内容

本文根据已知的吸力桩结构参数，构建吸力桩有限元模型，分析吸力桩在安装完成之后的极限承载力。根据不同的材料参数和加载情况，获得相应的极限承载力。具体工作如下：

1. 分析吸力桩在海洋土体中安装完成之后的受力情况。对吸力桩的受力情况进行简化，建立简化后的分析模型。首先建立2D模型将计算结果与张其一等人的计算结果进行比对，以验证几何模型、材料模型、接触设置、边界条件和网格划分的合理性，之后再建立3D模型，分析不同因素对吸力桩极限承载力的影响。
2. 选择合理的海洋土体材料模型，设置合理的模型参数，通过ABAQUS有限元软件完成地应力平衡。由于在有限元软件中创建的土体模型为沉降完成后的模型，并且无从得知之前的沉降，所以需要地应力平衡。
3. 设置合理的接触属性，以模拟吸力桩与外部土体以及内部土体的接触情况。设置能够计算收敛且较为准确的接触算法。因为接触是非线性计算的主要部分，所以接触的设置尤为重要。
4. 完成有限元模型的建立，进行吸力桩承载力的计算。使用控制变量的方法，得到承载力分别与荷载作用点和斜向力作用角度的关系图。
5. 由于吸力桩的极限承载力是由土体的材料属性决定的，本文讨论了土体粘聚力c、摩擦角与吸力桩极限承载力的关系。

第2章 斜向荷载作用下吸力桩2D有限元模型的建立与分析

2.1 ABAQUS有限元软件的介绍

ABAQUS 是由达索公司开发，与ANSYS一样在世界上享有盛名的有限元模拟软件。相比于ANSYS,ABAQUS更致力于解决更复杂的工程问题。ABAQUS拥有强大的前处理和后处理功能，以及丰富的单元库和材料模型库。当用户需要特定的材料模型时，也可以通过自定义用户子程序来创建所需的模型。但是有些功能和设置在ABAQUS/CAE界面无法实现，只能通过输入inp文件设置。随着版本的更替，这一问题也逐渐得到了解决，本此论文所使用的ABAQUS6.14，许多功能也可以在CAE界面完成，比如初应力的设置、接触生死的控制等。ABAQUS在处理岩土问题时，拥有以下几个突出的优点:1、拥有能够真实反映土体性状的本构模型；2、可以准确模拟土体接触面的接触特性，分析计算接触面上的受力情况。3、能够进行有效应力、渗透、孔压等计算；4、易于模拟各向异性材料和复杂的本构模型，并进行非线性计算。

综上考虑，本论文的有限元模拟使用ABAQUS软件进行分析计算。

2.2 二维有限元模型的建立

第一步:建立部件。在part模块中，执行创建部件命令，将部件命名为soil模型空间设为2D，类型为可变形,Base Feature设为Shell（二维的面），长为20D,深为10L。绘出如下图所示的几何模型。按照一样的设置，创建平面应变条件下名为mao的几何模型，如下图所示。

第二步：设置材料参数及截面特性。在材料属性模块中，创建名为soil的材料属性，设置力学—弹性中的杨氏模量和泊松比，分别为5.8MPA和0.49；设置力学-塑性-摩尔库伦模型的参数，摩擦角为15°，剪胀角为0°，粘聚力为7KPA,绝对塑性应变为0。按照类型步骤，设置名为steel的材料属性，设置力学—弹性中的杨氏模量和泊松比，分别为205GPA和0.3。执行Section创建命令，分别设置名为soil和mao的截面特性（对应的材料分别为soil和steel），此处截面必须选择为实体，而不能是壳。最后将截面赋予给相应的区域。

第三步：装配部件。在Assembly模块中，执行创建实例命令，建立相应的实例，并保证吸力桩与土体之间正好接触。

第四步：定义分析步。在Step模块中，创建名为名为geo的地应力分析步，接受所有默认选项然后退出。建立一个名为load1的通用静力学分析步，初始时间增量步选择为0.025s，最小增量设为e-8s，并选择矩阵储存为非对称。再建立一个名为load2的通用静力学分析步，设置与load1一样。

第五步：定义接触。进入Interaction模块，为了定义接触方面，首先需要定义几个面。在tool-surface中分别创建吸力桩的内外表面和底面、内部土体的表面和底面以及外部土体的表面和底面。执行Interaction-property创建命令，建立名为mao-soilinside和mao-soiloutside的接触特性，其中法向模型选择硬接触，摩擦特性选择罚函数，吸力桩与外部土体接触的摩擦系数选择为0.35，与外部土体接触的摩擦系数选择为1，以模拟真实的吸力桩与土体之间的摩擦以及由于吸力桩顶部真空产生的吸力。执行interaction创建命令，确保step下拉到initial列表，代表接触从初始状态就存在，因为吸力桩的材料刚度比土体大的多，故选择吸力桩的表面作为接触的主面，内外土体的表面作为从面，接触特性分别选择mao-soilinside和mao-soiloutside，接受其余默认选项。吸力桩的底部也要建立与土体的接触，接触特性选择mao-soiloutside。

第六步：定义载荷、边界条件。在load模块中，执行BC创建命令，限定土体模型两侧的水平位移并将底面设置为固支约束，在土体与桩接触的表面也要设置水平方向的约束（在load分析步之后取消）。这些边界条件在initial分析步中就已经激活。执行load创建命令，在geo对土体和吸力桩所有区域施加体力-10，以此来模拟水下土体容重的重力的载荷。之所以在吸力桩上也施加和土体一样的体力是为了更好的实现初应力的平衡。在load1分析步中，对吸力桩的区域施加数值上等于自身重力大小减去10的体力，以此来模拟吸力桩的重力。在load2分析步中，选取吸力桩高度方向的结点（通过tool-set工具创建不同高度的结点），对吸力桩的结点施加斜向集中力。由于是不排水加载，这里并未设置地表的排水边界。

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