复合加载模式下桶形基础破坏包络面特性研究(英文)

桶形基础结构是一种适宜于滩海软黏土地基上的新型海洋基础形式。研究复合加载模式下桶形基础的承载力特性,并进而依此评价海洋平台基础及地基的稳定性是桶形基础设计与施工中的关键问题。针对软黏土地基上桶形基础结构,利用大型通用有限元分析软件ABAQUS,采用基于Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性本构模型,对复合加载模式下桶形基础的承载特性进行了三维弹塑性数值分析。在V-H、V-M、V-M-H空间内建立了复合加载模式下桶形基础极限承载力破坏包络图,推导了破坏包络面的经验计算公式,由此可根据实际的复合加载状态与数值计算所得的破坏包络曲面之间的相对关系,评判实际荷载作用下桶形基础的工作状态,为工程设计提供参考依据。     

桶形基础极限承载力特性研究

通过有限元计算，分析了不同长径比下横向和竖向承载力、载荷位移曲线以及耦合载荷作用下的极限承载力特性，并与实验结果进行了对照。结果表明：当竖向压力小于某临界值时，基础的横向极限承载力随着竖向压力的增加而增加；但是当竖向压力增大到超过该临界值以后，横向极限承载力反而会随竖向压力的增大而降低。随着长径比的增加，基础承载力，特别是横向承载力有比较明显的提高。     

负压桶形基础地基水平承载力研究

通过模型试验和有限元计算 ,分析了单桶基础的地基极限水平承载力 ,基础主动区与被动区的土压力分布 ;建议了计算单桶基础水平极限承载力的关系式。进一步 ,分析了双桶基础的地基水平承载力 ,给出了相应的估算方法     

黏土地基中桶形基础抗拔承载特性有限元分析

黏土地基中桶形基础在抗拔承载特性方面,由于桶裙内土体(土塞)的受力状态,使得它与其它海洋基础形式有明显的区别。桶形基础可能产生局部剪切破坏、底部张力破坏以及反向承载力破坏三种不同的抗拔失效形式,其中确定反向承载力破坏时的极限承载能力最为关键。通过有限元分析,研究桶形基础反向承载力破坏的机理,及组成抗拔承载力各部分抗力的变化情况,并利用计算结果与理论公式进行对比,提出适宜的抗拔承载力计算公式,为桶形基础抗拔承载力的设计提供依据和有益参考。     

底面为曲面基础地基极限承载力上限解

为了解决曲面基础作用于土体的极限承载力问题,改进了 Prandtl 机构和 Hill 机构,利用极限分析理论,得到了底面为曲面基础地基极限承载力的上限解;通过两者的比较,以及与底面为平面基础地基极限承载力的比较,所得的上限解大于处于地基表面的平面基础地基极限承载力的上限解,小于埋深为基础宽度一半的平面基础地基极限承载力的上限解,研究结果可供地基承载力设计及计算参考。     

V-H-T荷载空间内海上风机桶形基础破坏包络面特性分析

与海上采油平台的基础不同,用于海上风力发电机的吸力式桶形基础不但承受着上部结构所传来的竖向荷载V、风浪等引起的水平荷载H,还承受着叶片等旋转机构传来的扭矩T。在swipe加载方法和固定位移比加载方法的基础上,建议了荷载-位移联合搜索方法。采用该方法对于桶形基础在V-H、V-T、H-T荷载平面内以及V-H-T非共面复合加载条件下的稳定性进行了三维有限元数值分析,得到了V-H-T荷载空间内的破坏包络面。由此可根据实际的受力状态与该破坏包络面之间的相对关系,评价实际荷载状态下海上风力发电机桶形基础的稳定性。     

桶形基础单桶水平承载力的试验研究

对９０ 年代在挪威产生的一种新型基础---桶形基础在软土地区的水平承载力进行了模型试验研究,根据测得的桶体两侧的土体抗力变化情况,分析了桶体在水平荷载作用下的变位以及与土的相互作用,提出了计算桶形基础单桶水平承载力的方法。     

水平荷载作用下软土地基上桶形基础承载力分析

桶形基础作为一种新型基础形式是近几年国际上出现的海洋石油开发的先进技术。采用ABAQUS大型有限元程序和极限平衡理论,运用位移控制法,通过三维有限元的数值模拟,对土性参数、桶体的高径比对桶形基础水平承载力、桶体外侧土压力分布规律的影响进行了研究。结果表明,桶形基础在水平荷载作用下产生以距桶体底部1/3处为中心的旋转,并且对应于此处的桶体外侧土压力最大;土性参数对水平承载力影响较小,而桶体的高径比对水平承载力影响较大。     

条形粗糙基础极限承载力求解与误差分析

利用滑移线法计算了粗糙条形基础极限承载力,计算时考虑了土的黏聚力c、内摩擦角φ和土体重度g的共同作用,避免了对破裂面形状的人为假定,并满足所有边界条件。将数值计算结果与其他学者的解答进行了对比,证明了解答的准确性。分析了地基承载力系数N_γ的影响因素,证实了N_γ除了与地基摩擦角φ有关外,还与超载比l有关。绘制了不同j值下N_γ随l的关系曲线,给出了N_γ的拟合公式,计算结果表明拟合公式的误差在±4%以内。最后对传统叠加方法计算承载力与精确解之间的误差进行了计算,总结了不同j值时误差e随l的变化规律,发现叠加计算结果比精确解小,且最大误差出现在l介于0.1~1之间。     

宽浅式筒型基础竖向承载力研究

通过有限元计算,研究了不同长径比下筒型基础竖向压载作用下的承载特性,分析了竖向荷载作用下宽浅式筒型基础的失效模式,并与试验结果进行对照,数值计算与模型试验的荷载–位移曲线虽存在一定差距,但整体趋势相近。对筒型基础不同部位在承担竖向压载时所承担的比例变化进行分析,其中,筒顶接触反力、内侧摩阻力及端阻力承担90%以上的荷载比例,计算极限承载力时可将筒内土与筒作为一个整体。给出了筒壁土压力的分布形式,在汉森理论的基础上提出适用于宽浅式筒型基础竖向承载力的计算公式,并与有限元、试验结果进行比较,除长径比为1.0的模型外,相对误差均在10%以内。     

黏土中宽浅式筒型基础筒土协同承载模式研究

宽浅式筒型基础是一种新型的海上风电基础,该基础在控制地基差异沉降方面具有巨大优势。但目前工程应用中宽浅式筒型基础的设计方法尚不成熟,一般是将筒内土体与筒视为整体,参照实体墩式基础的设计规范进行设计验算。文中基于宽浅式筒型基础大比尺模型试验,分析筒型基础在受荷过程中所受土压力的变化规律,发现只有部分筒内土体与基础协同作用。为研究筒土协同作用,提出了筒土协同度的概念,运用基于试验参数的数值模拟方法就加荷条件、筒型基础结构尺寸、筒内分仓形式、分仓板高度和厚度及筒土相对刚度等因素对筒土协同度的影响进行系统分析,并研究筒土协同度对承载力的影响,为基础结构的优化设计提供参考。     

三维地基极限承载力的数值极限分析

根据塑性下限定理,借助有限元技术,建立了极限承载力三维情况下的锥形规划形式。采用原-对偶内点法求解非线性规划问题,基于相应的理论计算框架,构造满足条件的静态容许应力场。该方法克服了屈服函数的线性化或光滑近似;利用对偶性,在求解下限解的同时获得对偶命题(上限)的解。与矩形基础地基极限承载力解析结果比较,精度和准确性有了较大提高;对刚、柔性基础下的地基极限承载力的特性也作了探讨。数值极限分析为计算矩形地基的极限承载力提供了一种简便有效的方法。     

淤泥质黏土中复合筒型基础水平承载力试验研究

复合筒型基础作为一种新型海上风力发电基础,与以往的筒型基础结构形式有较大差别,其极限承载能力及筒土作用机理需进一步深入研究。针对这一问题,设计了复合筒型基础大尺寸模型,开展了淤泥质黏土中的水平承载力试验,得到了复合筒型基础在水平荷载作用下的土压力分布规律、位移变化机制及极限承载能力等。试验结果表明,随着荷载的增加,被动区土压力有较大增长,主动区土压力呈现负压并逐渐恢复为初始土压力;旋转中心的位置随着荷载的增加从中轴线附近逐渐沿着加载方向移动,极限荷载时,旋转中心位于距顶面0.8倍筒壁高度处的分仓板附近。     

软土地基单桶基础循环承载力研究

在不固结不排水条件下对软粘土进行了大量循环三轴试验。通过分析试验结果,阐明了软粘土在静、动荷载共同作用下的破坏遵循Mises屈服准则。因此,可以依据Mises屈服准则和循环三轴试验结果确定一般应力状态下土单元的循环强度。建议了一种依据土单元循环强度评价地基循环承载力的方法,该方法考虑土单元的静应力对其循环强度进而对地基循环承载力的影响。利用这一方法分析了软土地基上单桶基础的循环承载力。结果表明,单桶基础的竖直和水平循环承载力取决于所受到的静荷载大小。当静荷载是静承载力的0.3倍时,竖向循环承载力达到最大,为竖向静承载力的0.43倍;当静荷载是静承载力的0.5倍时,水平循环承载力达到最大,为水平静承载力的0.79倍。     

复合加载模式下不排水饱和软黏土中宽浅式筒型 基础地基承载力包络线研究

作为高耸结构物,海上风机受到巨大的水平荷载作用。宽浅式筒型基础是为适应中国近海荷载特点而研发的一种新型海上风机基础形式,经典的地基承载力计算公式无法精确地计算复合加载模式下宽浅式筒型基础地基的极限承载力。通过数值计算研究了不排水饱和软黏土中宽浅式筒型基础在V-H、V-M、H-M和V-H-M加载模式下的地基承载力包络线,并提出了V-H和V-M加载模式下的地基承载力包络线的表达式。研究结果表明V-H和V-M加载模式下宽浅式筒型基础地基承载力包络线具有对称性,而H-M加载模式下呈非对称性,其非对称性随着基础深宽比增大而更加显著;V-H-M加载模式下地基承载力包络线的形状受竖向荷载V的影响,表现为包络线关于M轴的非对称性随着竖向荷载的增大而减弱。可根据海上风机的实际受力状态与该破坏包络线之间的相对关系,评价实际受荷状态下筒型基础的稳定性。     

单元集成法在地基承载力分析中的应用

基于塑性力学上限定理的地基承载力分析,在数值上可以通过单元集成法来实现。它采用类似于有限元网格划分的方式离散地基,并设定一个机动许可的滑动机构,在此滑动模式下,可以求得每个单元贡献的外力功率和内能耗散率。把所有单元的能量变化率相加,就是地基滑裂体的总能量变化率。然后,根据上限定理可以求得与滑动机构相对应的极限外载荷,并通过非线性数学规划法找到其最小值。采用对数螺旋滑裂面的单滑块机制,对几个典型的地基极限承载力问题进行了分析,其结果说明了该方法的有效性。