對于海洋樁基平臺來說，由于海上環(huán)境與陸地有很大不同，不便進(jìn)行實地試驗，所以在打樁前對打樁過程進(jìn)行模擬分析非常有必要。國外Goble Rauche Likins and Associate Inc.公司推出的GRLWEAP程序（中文名稱：模擬打樁過程軟件），可全面地模擬樁錘、打樁系統(tǒng)及樁在中土的運動及受力狀態(tài)，具有模擬打樁過程的功能。
海上基礎(chǔ)用樁大多采用大口徑開口高強(qiáng)度鋼管樁，施工難度大，單樁造價高。實際施工中如果樁身應(yīng)力超過樁身材質(zhì)的屈服強(qiáng)度，俗稱樁打劈了，就會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。GRLWEAP軟件就具備這種功能，在已知了樁的參數(shù)、詳細(xì)的地質(zhì)資料的情況下，可以模擬計算出不同樁錘、不同沖程下樁身在某個入土深度的壓拉應(yīng)力。設(shè)計單位可以依據(jù)計算結(jié)果來驗證方案合理性，施工單位可以指導(dǎo)進(jìn)一步施工，如在某個土層更改沖程控制錘的輸入能量和打擊力來達(dá)到減小應(yīng)力。
樁身容許應(yīng)力一般性規(guī)定
海上用樁樁身材質(zhì)一般為高強(qiáng)度鋼材，比如我們經(jīng)常遇見的Q345、Q425，根據(jù)API RP WSD推薦，打樁動應(yīng)力鋼樁不應(yīng)超過屈服強(qiáng)度σ的90%，如Q345鋼樁，則樁身最大容許應(yīng)力為Fa=0.9×345=310Mpa。需要我們注意的是，在不同機(jī)構(gòu)和不同的國家規(guī)范中對容許應(yīng)力的限值是不一樣的。下表為國外聯(lián)邦高速公路管理局推薦的各個不同材質(zhì)的樁型軸向打樁容許應(yīng)力值，供大家參考。
GRLWEAP軟件對打樁應(yīng)力的模擬計算
在GRLWEAP波動分析方程中，將樁、錘、土、樁墊或錘墊分別設(shè)置成計算模型，依據(jù)軟件內(nèi)置計算程序與收斂條件，GRLWEAP會計算出在某個貫入度下沿著樁身的應(yīng)力分布。根據(jù)某個工程的實際模擬輸出結(jié)果為例（圖1，圖2），從圖1可以直觀的觀察到樁身應(yīng)力在沉樁過程中的變化情況與趨勢，圖1（b）橫坐標(biāo)為壓應(yīng)力沿深度的分布，下橫坐標(biāo)為拉應(yīng)力沿深度的分布。從圖2可以直接觀看在入土深度為80m的時候，樁身的最大壓拉應(yīng)力發(fā)生的數(shù)值與位置。
但需要注意的是，從沉樁可打性分析的計算結(jié)果可知，最大應(yīng)力可能產(chǎn)生在沉樁過程的某一貫入深度時，而不一定是在最大入土深度時發(fā)生。GRLWEAP軟件的輸出文件給出的是入土深度最大時對應(yīng)的最大應(yīng)力的位置，沒有給出沉樁過程中實際最大應(yīng)力的位置。如果設(shè)計需要知道沉樁過程中實際最大應(yīng)力發(fā)生的位置，可以按照以下步驟實現(xiàn)：
（1）根據(jù)計算結(jié)果找出最大應(yīng)力發(fā)生時對應(yīng)的貫入度；
（2）以這個入土深度作為最大貫入深度，更改樁模型與土模型；
（3）從更改模型后的計算中找出實際最大應(yīng)力發(fā)生的位置與大小；
比如本次計算，最大拉應(yīng)力為103.7mpa，發(fā)生的位置在入土深度為46米處產(chǎn)生，我們就可以用46米作為最終的入土深度來調(diào)整樁土模型進(jìn)行計算，從而可以得出實際的最大拉應(yīng)力發(fā)生的具體位置。
數(shù)據(jù)解讀
在打樁過程中壓拉應(yīng)力作用的機(jī)理比較復(fù)雜，產(chǎn)生的原因也有很多，比如錘的打擊力、樁身的材質(zhì)、樁身的截面尺寸，土的性狀、樁墊或替打的材質(zhì)等等，甚至與樁的制作與吊裝堆放都有關(guān)系。這就需要我們工程師有豐富的工程經(jīng)驗。GRLWEAP軟件的作用可以模擬計算出在打樁過程中的最大壓拉應(yīng)力，工程師可以觀察壓拉應(yīng)力發(fā)生的數(shù)值與位置來分析判斷是哪種原因?qū)е铝藛栴}的產(chǎn)生，以來優(yōu)化設(shè)計方案和指導(dǎo)施工。
比如我們計算出在某個貫入度的時候壓應(yīng)力過高，就可以降低錘的沖程以減少打擊力，或直接選一個比較小的錘，或提高樁身的材料強(qiáng)度，或增大樁身截面。總之：GRLWEAP軟件可以模擬計算出樁身軸向應(yīng)力的大小，使工程師通過優(yōu)化設(shè)計與施工方案來確保應(yīng)力始終在材料強(qiáng)度的容許范圍之下。
下圖為GRL公司建議的一個判斷標(biāo)準(zhǔn)，供大家參考：
