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水平荷载作用下软土地基中桶形基础工作机理及承载性能研究

作　者: 孙曦源
导　师: 栾茂田
学　校: 大连理工大学
专　业: 岩土工程
关键词: 桶形基础水平承载力有限元法极限平衡法极限分析法
分类号: TU470
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

伴随着海洋油气资源开发向边际油田的进军,桶形基础作为一种新型的海洋平台结构基础形式应运而生。其外形上多为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径圆桶。安装时,首先依靠桶体自重使其部分地插入土中以形成密闭空间,然后抽出桶内的空气,利用内外压力差,将桶基逐步压入至海床内预定深度完成安装。施以其相反的过程,桶基便可从土中拔出,运送到其他海域进行循环再利用。这种新型的基础形式弥补了传统的导管架平台、重力式平台等固定式浅海结构自重大、工程造价随水深大幅增加等不足,较适用于软土地基及恶劣的海洋环境,被挪威专家誉为“导管架平台基础工程技术新时代的曙光”。近年来,我国针对渤海、东海、南海等近海海域油气资源开发的力度不断加大,桶形基础由于自身所独有的特点必将在软黏土地区海洋平台的建设中起到不可替代的重要作用。桶形基础在服役过程中,不仅受到上部平台结构自重及其设备所引起的竖向荷载的长期作用,还将承受风、波浪、潮流、冰等所引起的水平荷载、力矩荷载的共同作用。而根据已有的工程经验可知,其中水平荷载的承受能力对于桶型基础的稳定性而言则显得尤为重要。目前,针对水平荷载作用下桶形基础承载力特性的研究,尚缺乏被广泛认可的理论体系与计算方法,在我国进行实际的工程应用还需要做大量的准备工作。因此,有必要针对水平加载模式下桶形基础的变形机理及其承载力特性,开展系统而深入的理论分析与数值计算等方面的综合研究,发展并完善深厚软黏土地基上桶形基础的有关设计理论体系与计算方法,为我国海洋平台桶形基础的设计与应用提供理论依据和技术支持。为此,本论文着重围绕水平荷载作用下软基上桶形基础的失稳破坏机制及承载力特性等方面进行了探索,主要研究工作包括以下诸方面:1.基于大型通用有限元分析软件ABAQUS,对单调水平加载条件下软土地基中单桶形基础进行了系统地三维有限元建模分析。本文采用较为先进的主从接触对算法来模拟桶体与土体界面之间复杂的力学行为,建立了考虑桶体外表面与土体之间产生裂缝的有限元计算模型,同时考虑了桶体内表面、桶体顶面及桶体底面与土体之间的接触特性,避免了传统有限元分析中较少考虑桶体外表面与土体之间产生裂缝现象或者较少考虑桶体内表面与土体之间的摩擦接触特性的不足,从而较为全面且合理地反映了单桶形基础与土体之间的相互作用机制。根据有限元分析结果可知,处于软土地基中的单桶形基础在水平荷载作用下的失稳破坏机制为桶基绕泥面以下、基底以上某一点发生整体转动倾覆破坏,且在此过程中,桶前出现被动破坏楔体,桶后出现桶土脱离现象,这一切均明显有别于传统的重力式基础或桩基础。通过二次开发及变动参数比较研究,分别探讨了土体不排水抗剪强度S_u、土体有效重度γ′、桶体长径比L/D、加载点距泥面高度h等因素对软土地基中单桶形基础水平承载能力的影响。并将有限元分析所得到的承载力结果及桶壁表面土压力分布规律与已有的一些模型实验进行了定量或定性的比较,从而验证了本论文所建议的有限元模型及有限元计算结果的合理性。同时也表明,根据本文有限元分析所得到的软基中单桶形基础的失稳破坏机制与模型试验是较为一致的。2.根据三维有限元分析所得到的水平荷载作用下软黏土地基中单桶形基础失稳破坏模式及作用于桶壁上的土压力分布规律,基于三维极限平衡原理,本文提出了一种适用于工程中估算软黏土地基中单桶形基础水平承载力的三维极限平衡方法。利用本文提出的极限平衡方法,可以很方便地求得软黏土地基中单桶形基础的水平承载力值,将之与已有的现场模型试验结果进行对比,两者结果吻合较好,从而验证了本文所建议的三维极限平衡方法的合理性与可行性,为指导工程实践提供了一定的理论依据。3.考虑到波浪等循环荷载的作用可能导致海床软黏土地基发生强度弱化与刚度退化的循环软化效应,基于Andersen等所提出的软黏土循环强度概念,建议了非线性弹塑性循环强度模型,并在大型通用有限元软件ABAQUS平台上进行二次开发,实现了软黏土地基中单桶形基础循环承载力的拟静力计算。通过计算表明:单桶形基础在循环荷载作用下的失稳破坏形态及地基中的等效塑性应变分布与单调荷载作用下的极限破坏状态是存在一定差异的。在循环失稳状态下,单桶形基础的转动中心明显偏离了桶体的中轴线,而向桶体受荷侧靠近,同时桶体底部的滑动面不再是以单桶形基础静载倾覆失稳时的转动中心为球心的球面,而可能是一种更为复杂的空间曲面。通过变动参数比较研究初步表明,单桶形基础的循环承载力与埋深、荷载作用点高度及荷载循环破坏次数等诸多因素密切相关,而当埋深及荷载循环破坏次数等因素一定时,在不同荷载作用点高度条件下所得到的循环承载力与对应的静载极限承载力相比降低程度基本上一致。4.针对目前对于桶形基础的探讨多集中于单桶形基础,而较少涉猎需考虑桶间效应的多桶形基础的研究现状,本论文以单桶形基础三维有限元建模分析经验为基础,对更具有工程背景的四桶形基础的水平承载能力进行了三维有限元变动参数比较分析。主要参数包括:桶间距离B(小桶间距、小桶间距)、桶间连接刚度(无连接、弹性连接、刚性连接)。由分析可知,同等条件下,四桶形基础的水平承载能力随桶间距离B的增大表现出先增大后近似恒定的变化趋势:而当桶间距离B一定时,四桶形基础的水平承载能力则随桶间连接刚度的增大而增大,即无连接＜弹性连接＜刚性连接。5.根据三维有限元分析所得到的水平荷载作用下软黏土地基中四桶形基础的失稳破坏模式,基于塑性极限分析原理,分别提出了适用于计算刚性桶间连接条件下小桶间距与大桶间距四桶形基础水平承载力的三维极限分析上限解法。利用本文提出的三维极限分析上限解法,可以很顺利地求得软黏土地基中四桶形基础的水平承载力值,将之与三维有限元分析所得到的结果进行对比,两者一致性较好,从而验证了本文所建议的三维极限分析上限解法的合理性与可行性。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-14
1 绪论  14-31
  1.1 研究背景  14-17
  1.2 桶形基础国内外发展概况  17-19
  1.3 桶形基础国内外研究概况  19-28
    1.3.1 模型试验研究  19-22
      1.3.1.1 室、内外模型试验  20-21
      1.3.1.2 离心机模型试验  21-22
    1.3.2 极限平衡法(LEM)  22-23
    1.3.3 结构变位法(SDM)  23-24
    1.3.4 极限分析法(LAM)  24-25
    1.3.5 有限单元法(FEM)  25-27
    1.3.6 人工神经网络法(ANN)  27-28
  1.4 论文的研究目的和主要内容  28-31
    1.4.1 研究目的  28-29
    1.4.2 研究内容  29-31
2 单桶形基础水平承载性能的三维有限元分析  31-56
  2.1 概述  31-32
  2.2 计算方法与数值实施  32-39
    2.2.1 有限元分析软件 ABAQUS  32-33
    2.2.2 ABAQUS的主要模块  33-34
    2.2.3 ABAQUS的分析步骤  34-35
    2.2.4 ABAQUS中材料非线性问题的求解方法  35-36
    2.2.5 ABAQUS中接触非线性问题的求解方法  36-39
  2.3 水平荷载作用下软土地基中单桶形基础有限元模型的建立  39-49
    2.3.1 有限元计算中的基本方程  39-40
    2.3.2 桶土材料本构模型的选取  40-41
    2.3.3 单桶形基础水平向加载方式的确定  41-42
    2.3.4 单桶形基础水平承载力的确定标准  42
    2.3.5 单桶形基础滩海模型试验研究介绍  42-43
    2.3.6 单桶形基础三维有限元模型的建立  43-45
    2.3.7 有限元计算结果分析  45-49
      2.3.7.1 水平荷载作用下单桶形基础的极限承载能力  45
      2.3.7.2 水平荷载作用下单桶形基础的失稳破坏机制  45-47
      2.3.7.3 水平荷载作用下内、外桶壁上的土压力分布  47-49
  2.4 软土地基中单桶形基础水平承载力影响因素的有限元研究  49-54
    2.4.1 土体有效重度对水平承载力的影响  49
    2.4.2 土体强度对水平承载力的影响  49-53
      2.4.2.1 土体强度各向同性  50
      2.4.2.2 土体强度各向异性  50-52
      2.4.2.3 土体强度竖向线性  52-53
    2.4.3 桶体长径比对水平承载力的影响  53
    2.4.4 荷载作用点高度对水平承载力的影响  53-54
  2.5 小结  54-56
3 单桶形基础水平承载力的极限平衡解法  56-66
  3.1 极限平衡法  56-57
  3.2 软土地基中单桶形基础水平承载力的三维极限平衡解法  57-64
    3.2.1 概述  57-60
    3.2.2 改进的三维极限平衡法  60-64
      3.2.2.1 受力分析  60-61
      3.2.2.2 计算假设  61-62
      3.2.2.3 公式推导  62-64
      3.2.2.4 公式验证  64
  3.3 小结  64-66
4 单桶形基础水平循环加载承载性能的三维有限元分析  66-76
  4.1 概述  66-67
  4.2 循环加载承载力的计算模型与分析方法  67-69
    4.2.1 强度模型  67-68
    4.2.2 分析方法  68-69
  4.3 软土地基中单桶形基础水平循环加载承载力的有限元计算  69-72
  4.4 软土地基中单桶形基础水平循环加载承载力影响因素的有限元研究  72-75
    4.4.1 桶体长径比对水平循环加载承载力的影响  72-73
    4.4.2 荷载作用点高度对水平循环加载承载力的影响  73-74
    4.4.3 荷载循环次数对水平循环加载承载力的影响  74-75
  4.5 小结  75-76
5 多桶形基础水平承载性能的三维有限元分析  76-106
  5.1 概述  76-77
  5.2 多桶形基础三维有限元模型的建立  77-79
  5.3 软土地基中多桶形基础水平承载力的有限元研究  79-86
    5.3.1 桶间连接刚度对水平承载力的影响  79
    5.3.2 桶间距对水平承载力的影响  79-81
    5.3.3 桶体长径比对水平承载力的影响  81
    5.3.4 土体有效重度对水平承载力的影响  81-82
    5.3.5 土体强度对水平承载力的影响  82-83
      5.3.5.1 土体强度各向同性  82-83
      5.3.5.2 土体强度各向异性  83
    5.3.6 荷载作用点高度对水平承载力的影响  83-84
    5.3.7 荷载作用角度对水平承载力的影响  84-86
  5.4 杭州湾近海风电结构基础稳定性的有限元预测  86-105
    5.4.1 材料参数  86-87
      5.4.1.1 土体的材料参数  86-87
      5.4.1.2 基础的材料参数  87
    5.4.2 有限元模型  87-88
    5.4.3 荷载取值  88-90
    5.4.4 计算结果  90-105
      5.4.4.1 无波流力入射  90-93
      5.4.4.2 波流力0°入射  93-96
      5.4.4.3 波流力15°入射  96-99
      5.4.4.4 波流力30°入射  99-102
      5.4.4.5 波流力45°入射  102-105
  5.5 小结  105-106
6 多桶形基础水平承载力的极限分析解法  106-120
  6.1 概述  106-107
  6.2 软土地基中小间距多桶形基础水平承载力的三维极限分析上限解法  107-117
    6.2.1 小间距多桶形基础的水平失稳破坏模式  107-109
    6.2.2 能量耗散率的计算  109-115
      6.2.2.1 楔体内的能量耗散率  109-111
      6.2.2.2 楔体滑裂面上的能量耗散率  111-112
      6.2.2.3 楔体与桶体外壁交界面上的能量耗散率  112-113
      6.2.2.4 土体与桶体内壁交界面上的能量耗散率  113
      6.2.2.5 球形滑裂面上的能量耗散率  113-115
    6.2.3 外荷载做功功率的计算  115
      6.2.3.1 自重荷载的做功功率  115
      6.2.3.2 水平荷载的做功功率  115
    6.2.4 小间距多桶形基础水平承载力的极限分析上限解  115-116
    6.2.5 小间距多桶形基础水平承载力上限解法与有限元法的比较验证  116-117
  6.3 软土地基中大间距多桶形基础水平承载力的三维极限分析上限解法  117-119
    6.3.1 大间距多桶形基础水平承载力的极限分析上限解  117-118
    6.3.2 大间距多桶形基础水平承载力上限解法与有限元法的比较验证  118-119
  6.4 小结  119-120
7 结论与展望  120-124
  7.1 结论  120-123
  7.2 展望  123-124
参考文献  124-130
攻读博士学位期间发表学术论文情况  130-131
攻读博士学位期间参加科研项目情况  131-132
创新点摘要  132-133
致谢  133-134
作者简介  134-135

水平荷载作用下软土地基中桶形基础工作机理及承载性能研究

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