完全隐式返回映射算法对岩土地基问题的求解

针对岩土工程中的复杂力学问题,在弹塑性力学理论框架和非线性有限元理论基础上,采用非关联等向硬化Drucker-Prager模型的完全隐式积分算法—返回映射算法(Return Mapping Algorithm)编制了有限元求解程序。该算法可以避免预测应力漂移屈服面的现象,对准静态变形条件下的本构方程可以获得准确解,在迭代中使用Newton-Raphson法获得近似平方的收敛速率,具有较高的精确性和稳定性。对岩土工程中的地基问题进行求解,计算得出位移、应力等结果,模拟了塑性区随载荷步增加的演化过程,对地基极限承载力进行了解析解和数值解的对比。结果表明了算法的优越性、程序的正确性和实用性。     

含节理的岩石地基承载力估算

本文提出了一种考虑岩体节理的计算岩体承载力的方法,并用塑性极限平衡原理推导了合理的岩石地基承载力的估算公式。三个实际工程算例计算表明,用本文方法计算的结果可以作为岩石地基承载力取值的一种理论解释。     

大深度载人潜器耐压壳极限强度的简化算法

深潜器耐压壳极限强度分析是设计深海载人潜水器的关键技术。基于切线模量理论, 引入切线模量因子的参数并结合材料的力学性能试验数据, 可以建立工程常用的多种合金材料的切线模量因子曲线。观察材料曲线的特性, 推导出计算耐压壳极限强度的简化数学表达式。利用该表达式计算深海载人潜水器常用的某种钛合金耐压球壳和TC4合金试验球壳的极限强度, 并将计算结果与有限元数值计算结果, 以及实验结果进行比较, 发现该简化方法具有良好的适用性。应用表明, 该方法简便实用, 可以作为耐压壳极限承载力的简化算法, 在初步设计阶段使用。     

基于振动测试参数的井架钢结构极限承载力预测

提出了基于振动测试参数预测井架钢结构极限承载力的两种新方法。第一种方法是针对井架钢结构的结构形式和受力特征,将其简化为简支梁,由载荷与振动频率之间的关系,推导出振动频率直接确定极限承载力的简易表达式。该方法简单易行,不需要建立系统的模型。第二种方法是应用一阶搜索优化算法修正动力有限元模型,然后进行线性屈曲、几何非线性和双重非线性分析从而确定井架钢结构的极限承载力,这种方法计算复杂些,但提高了预测准确度。最后利用近似平稳随机激励,对某型号井架钢结构进行了振动参数测试,分别应用这两种方法对极限承载力进行了预测。结果表明这两种基于动力参数的预测值相差不大,均能真实预测井架钢结构的极限承载性能,为复杂承载钢结构的极限承载力预测和安全评估开辟了新途径。     

复杂地层中自升式平台插桩的数值模拟

以胜利9号平台在老174号井位插桩过程为例,基于RITSS大变形数值计算方法,建立了自升式平台桩靴贯入多层地基的有限元模型,研究该平台插桩过程中的土体变形以及地基承载力随深度的变化规律。与SNAME（美国造船与轮机工程师学会）规范推荐的桩靴插桩过程地基承载力公式的计算结果进行对比,规范结果与数值结果的规律较为一致,数值上相差10%,验证了RITSS方法研究桩靴在软硬相间地基上插桩的有效性。结果表明:RITSS数模方法可以有效地模拟自升式平台插桩过程中各个土层的变形、土体流动,并得到合理的地基承载力结果;对于砂土层下卧软土层地基,可以得到承载力峰值。     

正交各向异性结构的塑性极限与安定下限分析

利用数值方法研究了正交各向异性结构的塑性极限与安定下限分析问题。基于Hill-Tsai屈服准则和有限元离散技术,采用温度参数法构造了结构的自平衡应力场,建立了正交各向异性体极限与安定下限分析的有限元数学规划格式,利用序列二次规划算法求解。计算结果表明计算效率高,精度好,能够为正交各向异性结构的工程设计和安全评定提供一种分析计算手段     

多桩型组合桩复合地基承载力的可靠度分析

基于优化桩型的观点,将柔性桩和刚性桩组合,刚性桩和散体材料桩组合,形成多桩型组合桩复合地基,充分发挥了柔性桩、刚性桩和散体材料桩的优点,弥补了单一桩型在地基处理中的不足。通过对现有多桩型组合桩复合地基承载力计算方法进行分析,建立了多桩型组合桩复合地基极限承载力可靠度概率分析模型。用JC法进行可靠度计算。通过刚柔组合桩复合地基实例,分析了随机变量的变异性对可靠性指标影响。     

带缺陷压力容器的极限与安全分析

本文提出结构极限与安全分析有效的机动数值值方法，突破了复杂结构极限与安定分析中的维障碍，较好地解决了极限与安全性理论的实际应用问题。     

非饱和土地基极限承载力标准计算参数的敏感性分析

为了研究非饱和土地基极限承载力影响参数的敏感性,本文建立了非饱和土地基极限承载力的计算模型,并设计计算影响因素对系统特性敏感程度的正交试验。通过参数敏感性分析,得出非饱和土的内摩擦角及膨胀力为地基极限承载力影响参数中最敏感参数等结论。     

双层黏土中自升式平台桩靴极限承载力数值分析

海底层状地基极限承载力的预测是海上自升式钻井平台插桩作业设计的关键。目前,成层土地基极限承载能力的确定主要依靠经验公式,但其适用范围和限制条件并不明确。为了研究桩靴在硬软双层黏土地基中的极限承载力,将自升式平台的插桩过程视为桩靴在半无限弹塑性地基上逐渐贯入的准静态过程,将土体视为满足摩尔-库伦屈服准则的各向同性弹塑性体,桩土之间的接触定义为符合库伦摩擦定律的主从接触面接触,在ABAQUS平台上利用非线性有限元法对自升式钻井平台桩靴在硬软双层黏土地基中的极限承载力进行数值计算,分析上、下土层强度比和上层土相对厚度比对极限承载力的影响,并与现有经验公式的结果进行对比。结果表明,BrownMeyerhof公式和投影面积法只适用于硬软差别明显的双层土地基。当上层土相对厚度比H/B一定时,上、下层土强度比Sut/Sub越小,双层土地基的极限承载力越大。当H/B=1.0时,只有在Sut/Sub3.0的情况下才可用BrownMeyerhof公式计算其极限承载力,而投影面积法适用于4.0Sut/Sub6.0的情况。当上、下层土强度比一定时,上层土相对厚度比越大,下部软土层对双层地基极限承载力的影响越小。在Sut/Sub=3.0时,只有在H/B1.0的情况下,BrownMeyerhof公式和投影面积法计算的双层土地基的极限承载力才是合理的。上、下层土强度比越大,上层土相对厚度比越小,发生穿刺的可能性就越大。所得结论对于插桩作业的设计和施工具有一定的工程指导意义。     

海上风电大尺度顶承式筒型基础承载力特性有限元分析

与现有的海上风电传统筒型基础相比,新型筒型基础——大尺度筒顶承载式筒型基础凭借其特有的宽浅式筒顶承载模式和更大的承载能力已经越来越受到关注。所以,合理地建立此类新型筒基基础的极限承载力和地基的破坏包络面,分析其承载特性,对于该基础结构设计和实际应用过程中的安全性和稳定性研究起着重要的作用。通过大型有限元软件ABAQUS,利用位移加载控制方法﹑Swipe试验加载方式和荷载-位移联合控制搜索方式,对5MW海上风机大尺度筒型基础的两种典型形式进行承载力特性弹塑性分析和对比,得出在单方向荷载单独作用下,弧线型筒型基础的极限承载力比直线型高出6%~8%,在荷载组合作用下,弧线型筒基比直线型有更广泛的三维破坏包络面,即弧线型筒基在各个方向上的极限破坏值,都要比直线型的要大,表现出更好的承载性能;同时对两种大尺度筒型基础的破坏模式进行分析。研究结果为进一步的基础结构选型和优化设计提供参考依据。     

分舱板对海上风机混凝土筒型基础承载模式的影响

出于拖航稳性、施工下沉、精细调平及结构强度的原因,混凝土筒型基础筒内须设置分舱板。一般设计时不考虑分舱板对承载力的作用,实际上分舱板的存在对于筒型基础的承载模式和承载能力本身是有一定的影响。通过数值模型定量对比带分舱板和无分舱板两种混凝土筒型基础的承载特性,得到分舱板对承载模式的影响。结果显示带分舱板的基础与无分舱板的基础承载模式基本相似,当荷载较小时分舱板对承载力的作用不明显,因此基础设计时可以不考虑分舱板的作用,但随着荷载的增加,分舱板对承载力的提高作用逐渐显现,当达到极限承载时,基础竖向承载力提高6.9%,水平承载力提高18.3%,弯矩承载力提高16.5%,在极端条件下,带分舱板的混凝土筒型基础将具有更大的安全储备。     

消除负摩阻力扩体挤密桩的研制及力学特性分析

针对湿陷性黄土地区等不良土质地区的桩基负摩阻力问题,提出一种既可以消除负摩阻力,又能提高承载力的扩体挤密新型桩,对其结构构成和工作机理进行详细阐述。根据扩体挤密桩的结构特性,建立扩体装置扩张的菱形孔扩张模型,采用复变函数方法,求解了扩体装置扩张的弹塑性解及极限扩张角,推导出该新型桩的单桩极限承载力计算公式。结合算例采用有限元法和提出的理论计算方法对该新型桩的挤土效应和承载特性进行了分析。结果表明:扩体装置对土体应力的影响范围约为扩体装置扩开宽度的2倍~3倍;扩体装置扩张形成的塑性区范围大小在竖直方向上和水平方向上基本相等;各扩体装置承力时具有一定的顺序效应和时间效应,扩体装置的承力能力与周围土体的性质有关;数值模拟结果与理论计算结果基本一致,验证了理论分析方法的正确性;与普通直桩及套管桩相比,扩体挤密桩消除负摩阻力效果良好,提高承载力作用显著,受力机制科学合理,为湿陷性黄土地区桩基工程的设计提供一定的理论依据和参考。     

黏土中负压桶形基础下沉与承载特性试验及有限元分析研究

负压桶形基础是一种适宜于软土地基上的新型港口水工建筑物,在深海区域静水压力有助于桶形基础压入至海床内预定深度而完成安装,而在水深较浅的滩海则可能出现负压不足、土塞等作用影响桶形基础下沉,导致承载力不能满足设计要求等问题。此外对于桶形基础竖向承载力的计算没有现成的规范可参考,桶裙、顶板的荷载承担特性,桶土相互作用等问题也鲜有研究。因此,通过室内模型试验研究黏土中不同负压下桶形基础的下沉特性和竖向承载能力,分析下沉负压与土塞的关系,提出软黏土中桶形基础下沉就位的工程措施。并通过试验结果验证的有限元计算模型,研究竖向荷载作用下桶形基础竖向承载特性,得出适用于桶形基础竖向承载力的计算方法,为桶形基础竖向承载力的设计与计算提供依据。     

考虑附加抗力影响的单桩水平受力分析方法

单桩基础受水平荷载作用时,桩身截面转动引起的竖向摩阻力形成土对桩的附加抗力矩,同时桩端土对桩也有一定的附加抗力效应。为了研究桩身和桩端附加抗力对单桩水平承载特性的影响,该文基于API规范推荐的砂土摩阻力模型,结合桩身径向土压力引起的极限摩阻力增强效应,推导出砂土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解;采用API规范推荐的黏性土摩阻力模型,推导出黏性土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解。基于双曲线桩端竖向应力-位移模型,在考虑桩端桩-土界面脱开效应的基础上,得到了桩端抗力矩的离散数值解和简化公式解,桩端水平剪力的离散数值解;进而提出基于Winkler地基梁模型的有限元计算方法,并编制了程序。通过对比试验数据,初步验证了该文方法的正确性,进行了水平承载力的参数分析,结果表明:随着长径比的增加,附加抗力在总水平承载力中的占比逐渐减小;而随着桩直径的增加,附加抗力在总水平承载力中的占比并未显著变化。     

广义复合基础的概念和工程实践

上部结构、基础、地基(含桩基)始终是一个共同作用着的整体,衡量这个整体是否安全可用,主要看建筑物的平均沉降与差异沉降是否满足要求。研究表明:对地基(含桩基)的支承刚度的大小和分布进行合理的调整是差异沉降控制设计最有效的方法。在此基础上提出了广义复合基础的概念,并对地基土承载力的合理取值进行讨论,同时给出了几种对地基支承刚度进行合理分布的方法,尤其是自适应变形调节器的研制,为解决端承桩复合桩基应用的难题提供了可能性。工程实例的成功应用表明:该文提出的广义复合基础的设计方法和相应的变形调节装置具有广阔的应用前景。     

风积砂地基装配式基础下压水平力组合荷载试验

根据塔克拉玛干沙漠腹地2 个装配式基础的现场试验,分析了下压与水平力组合荷载作用下风积砂地基装配式基础的变形、结构受力特性以及地基土压力变化规律,并采用Veisc 理论计算了下压与水平力组合荷载作用下风积砂地基的极限承载力。结果表明,在下压水平力组合荷载作用下:1) 风积砂地基装配式基础顶部竖向和水平方向的位移值相差不大。基础顶部竖向沉降主要由支架压缩量和地基沉降量组成,在极限荷载工况时,角钢支架变形量为风积砂地基沉降量的2 倍~3倍,最终是由于地基的水平承载力不足而使得基础丧失承载能力;2) 角钢支架处于压弯受力状态,在破坏荷载时,尚未达到角钢屈服应力,也未出现压曲失稳;3) 风积砂地基装配式基础的承载性能与基础底板混凝土板条的排列方式有关,平行于混凝土板条轴线方向的水平承载能力高;4) 可采用Vesic理论计算风积砂地基装配式基础在倾斜荷载作用下的竖向下压极限承载力。     

工程结构极限承载力上限分析的弹性模量缩减法

基于弹性模量缩减法和基准体法,建立了工程结构极限承载力上限分析的方法。该法结合弹性有限元法进行迭代分析,以广义屈服函数表达的单元承载比作为弹性模量调整的控制参数,根据单元承载比均匀度确定模量调整的阀值——基准承载比,利用单元应变能转化中的能量守恒原理建立单元弹性模量调整策略,通过缩减高应力单元的弹性模量模拟结构弹塑性损...