各向异性软黏土地基上浅基础破坏包络面研究

 根据已有的关于土体强度各向异性的表达式,针对基于Tresca屈服准则的理想弹塑性模型进行改进,使之可以考虑不排水条件下软黏土强度的各向异性,并在大型通用有限元软件ABAQUS中予以数值实施。联合应用swipe加载模式和固定位移比加载模式,对于条形浅埋基础在竖向荷载V、水平荷载H与力矩荷载M的复合加载条件下的承载性能进行比较系统的数值模拟,主要探讨地基土不排水强度的各向异性、竖向荷载水平对于浅基础在H-M荷载空间内的破坏包络面的影响。首先进行浅基础分别在竖向、水平与力矩荷载单独作用下极限承载力的计算,并与已有结果进行对比。进而对于不同竖向荷载水平下浅基础在H-M荷载空间内的破坏包络面特性进行分析。计算结果表明：当浅基础埋深与宽度之比较大或基础承受三维自由度加载时,swipe加载模式得到的加载路径比真实的破坏包络面明显偏小;对于给定埋深的浅基础,其包络面的大小与地基土强度的各向异性与竖向荷载水平都有关系,而在归一化荷载平面内,包络面形状主要受到竖向荷载水平的影响,而与地基土强度的各向异性无关。     

正常固结黏土中扭矩对负压沉箱承载力的影响分析

当负压沉箱被用作深水管汇或管道终端基础时,除了受到上部结构传来的竖向力、水平力和弯矩,还会受到扭矩,扭矩可能降低沉箱的竖向承载力、水平承载力和抗弯能力。采用理论分析和有限元法研究复合加载条件下典型沉箱(长径比介于1～2之间)与正常固结黏性土的相互作用,考虑安装造成的沉箱侧壁周围土体的弱化,得到了不排水条件下沉箱单向最大扭矩,探索了扭矩与不同荷载分量联合作用时承载能力的改变。结果表明,当扭矩不超过20%的抗扭转能力时,可以忽略扭矩对竖向承载力、水平承载力或抗弯能力的影响;当扭矩介于抗扭转能力的20%～80%时,其他承载力分量最多降低20%。提出了能够用于工程设计的扭矩对其他荷载分量抗力的影响系数。     

复合加载条件下筒形单基础极限承载力分析

筒形基础广泛应用于海洋工程,由于海洋风力、波浪等共同作用,使得传统的地基承载力理论难以分析复杂荷载条件下筒形基础的极限承载力。借助ABAQUS有限元数值软件,基于等比例位移加载模式,对饱和软黏土地基上筒形基础在水平荷载H、弯矩荷载M复合加载条件下的极限承载力进行了分析。计算分析结果表明,筒形基础在H-M荷载空间中的承载力包络面呈非对称性,水平荷载和弯矩荷载发生耦合作用,两者同向时承载力包络面增大,异向时承载力包络面减小,筒形基础埋深比的增大使得承载力包络面的非对称性越强;通过对荷载作用点的位置修正,有效减少水平荷载和弯矩荷载的耦合作用,使不同埋深比的筒形基础在H-M荷载空间中的承载力包络面对称分布,归一化后承载力包络面形状一致,采用曲线拟合得到承载力包络面的表达式,该公式可方便计算复杂荷载作用下筒形基础的承载力。     

砂土地基上圆形浅基础三维破坏包络面的理论研究

对砂土地基上圆形浅基础在竖向荷载V 、水平荷载 H 及力矩 M 复合加载条件下的承载力进行了系统的三维有限元分析。在分析中,砂土假定为纯摩擦材料,遵循基于 Mohr-Coulomb 破坏准则的理想弹塑性本构关系。首先,对圆形浅基础的竖向承载力进行了有限元计算,并与滑移线解法进行了对比,两种方法所得结果比较吻合。进而探讨了砂土内摩擦角对于基础在 V-H 、V-M荷载平面与V-H-M 三维荷载空间内的破坏包络轨迹的影响。计算结果表明,与不排水情况下软黏土地基上基础破坏包络面相比,砂土地基上圆形浅基础的破坏包络面形状有较大差异,但V-H 和V-M 平面内的破坏包络面形状仍具有较好的归一化特性。基于有限元计算结果,建立了圆形浅基础在V-H-M 三维荷载空间内的破坏包络面方程,该方程可用来合理评价复合加载条件下砂土地基上圆形浅基础的整体稳定性。     

砂土中吸力式沉箱基础抗拔承载特性试验研究

通过一系列的室内模型试验研究了砂土中吸力式沉箱基础的抗拔承载特性，着重分析了沉箱的长径比、荷载作用角度和荷载作用点位置的影响。试验中考虑了3个长径比，5个荷载作用角度和5个荷载作用点位置。试验结果表明，不同工况条件下吸力式沉箱基础在被拔出前所表现出来的荷载-位移特性各不相同。增大沉箱的长径比，可以显著提高吸力式沉箱基础的抗拔能力，但长径比的改变不影响吸力式沉箱基础的位移特征。荷载作用方向越接近于水平方向，吸力式沉箱基础的抗拔能力越强。当吸力式沉箱基础承受竖向上拔荷载作用时，荷载作用点位置的变化对其承载力的影响可以忽略；除荷载作用角度为90000b0;外，荷载作用于沉箱高度的2/3和3/4处时，基础的抗拔能力最强。     

桥梁吸力式沉箱基础承载特性试验研究

吸力式沉箱基础是跨海桥梁基础的一个新选择。基于桥梁基础的受荷特点,考虑不同的荷载作用方式,通过一系列模型试验研究了砂土中吸力式沉箱基础的承载特性。试验结果表明:沉箱的长度越长,吸力式沉箱基础的竖向承载力越大,侧壁摩阻力的贡献越大,而沉箱端部阻力可忽略不计;沉箱的长度越长,吸力式沉箱基础的水平承载力也越高,但相对于竖向承载力而言,基础的水平承载力很小,一般不超过其竖向承载力的5%。预加一定的竖向荷载,可显著提高吸力式沉箱基础的水平承载力,且预加的竖向荷载越大,基础的水平承载力越高,由于桥梁工程中基础承受的竖向荷载很大,所以有必要考虑这一因素对基础水平承载力的提高。     

非均质软土地基上吸力式沉箱抗拔承载力数值分析

针对非均质软土地基上吸力式沉箱的抗拔极限承载力,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行了三维非线性数值分析。通过一定数量的数值计算与分析,较系统地考察了沉箱承受拉拔荷载过程中主动侧土体与结构接触状态对沉箱极限承载力的影响。由此表明:软土地基的不排水抗剪强度、吸力式沉箱结构的长径比、荷载作用点位置等因素对于主动侧土体与结构的接触状态具有一定影响。通过与有关模型试验结果及极限分析上限解的对比分析,在一定程度上验证了有限元计算模型与数值分析结果的合理性。     

VM荷载下双层饱和黏土地基承载特性数值分析

复合加载下地基的承载特性是港口、海洋工程基础设计的关键问题。近来,极限荷载包络图取代了经典的承载力计算方法,用于评价复合加载下地基的组合极限承载力。以大型通用有限元软件ABAQUS为计算工具,对VM荷载作用下层状饱和黏土地基上基底完全粘结的条形基础承载力进行系统的变参数计算,研究地基土层强度特性、荷载组合等因素对地基承载力及破坏模式的影响规律,得出VM荷载作用下极限荷载的包络图,为港口、海洋工程基础设计提供参考。     

沉箱码头砂土地震液化后地基承载力计算方法

依据Prandtl机构,提出了砂土地震液化后港口码头地基承载力的计算方法,并对某沉箱码头地震后的地基承载力进行了分析,结果表明:地震力作用下,砂土孔隙水压力增大,对沉箱结构的水平力增大,弯矩增大,从而使沉箱结构偏心距增大,地基水平及竖向承载力出现不足,最终沉箱结构出现向海侧的平移、转动和沉降。     

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。     

饱和细砂中裙式吸力基础水平单调加载模型试验——承载力及变形分析

海上风电资源的开发和利用是当今世界关注的热点问题,作为其塔架的基础,主控荷载是水平荷载。裙式吸力基础具有更高的水平承载能力和控制水平位移的能力,故非常适合作为海上风电塔架的基础。通过饱和细海砂中裙式吸力基础的水平单调加载模型试验,探究基础水平承载力的影响因素及转动点位置的变化规律,并分析了地基土的变形影响范围及规律。研究发现：与传统吸力基础相比,裙式吸力基础的水平承载力提高显著,且能有效控制水平位移;水平承载力随基础的裙高、裙宽的增加而增大,随加载高度的增加而减小;在水平荷载作用下基础主要是绕某一点（即转动点）发生转动,转动点位于主桶长度的0.45～0.7倍之间;达到极限荷载时,地表隆起范围远远大于沉降范围,沿加载轴线方向,隆起范围约为2.5倍主桶直径。     

An Experimental Study of the Drained Capacity of Suction Caisson Foundations Under Monotonic Loading For Offshore Applications

In recent years there has been a surge in the development of new small scale offshore facilities, including minimum facility structures for oil and gas developments as well as offshore renewable energy devices such as offshore wind turbines. In these cases the loading applied to the structure and foundation is significantly different to that applied to more typical larger offshore structures. The weight of the structure is much lower, and the horizontal load and moment applied to the foundation is much higher as a proportion of the vertical load. Design guidance for the combined loading response of shallow foundations under low vertical loads is sparse, and in particular much guidance is drawn from work where the vertical load applied to the foundation is close to the vertical bearing capacity. This paper addresses this lack of data by presenting results of combined loading experiments at low vertical loads on novel shallow foundations known as suction caissons. The experiments are carried out on dry sand at a low relative density to explore the drained response of the foundation. The experiments are successfully interpreted within the framework of work hardening plasticity, and information on the shape of the yield surface and the post-yield behaviour of the foundation is deduced. One of the key results is that the foundation can sustain moments and horizontal loads even when a tension is applied to the foundation.     

粉土中吸力式桶形基础沉贯及抗拔特性试验研究

吸力式桶形基础的负压沉贯控制和抗拔承载力确定是海洋钻井平台和海上风电机组多桶基础以及深海吸力锚基础设计和施工中的关键问题。通过室内大比例模型试验研究了吸力式桶形基础在饱和粉土中的负压沉贯及抗拔特性。负压沉贯试验结果表明负压并不能明显减小吸力式桶形基础在粉土中的沉贯阻力,基于CPT试验结果可较为准确地预估沉贯施工所需负压,从而确保沉贯的顺利实施和防止沉贯过程中地基发生管涌破坏。不同加载速率下的上拔试验结果表明存在一临界加载速率,当实际加载速率超过该临界值后,加载速率对吸力式桶形基础的抗拔特性影响较小。结合桶体及桶外土体的变形,提出了粉土地基中不同受力状况下吸力式桶形基础的抗拔承载力计算方法。     

Failure envelope considering the ultimate tensile capacity of suction caissons in sand

Little analytical work has been done to elucidate the ultimate capacity of suction caissons under vertical tensile (V), lateral (H), and moment (M) loads in soils. In this paper, in order to reveal the effect of vertical tensile, lateral, and moment loads on the ultimate capacity of suction caissons in sand, an analytical investigation was made using a traditional bearing capacity theory. Taking account of the vertical equilibrium of an annular element of a skirt, through the vertical tractions inside and outside the skirt of a suction caisson when a vertical tensile load is applied, the vertical displacement of the soils adjacent to the skirt of the suction caisson was presented. The most appropriate bearing capacity equation for predicting the experimental results was shown for suction caissons having an embedment larger than a diameter in sand. For the deformation-load responses of suction caissons with various embedment ratios in sand, subjected to inclined tensile loads, there was a good agreement between the results obtained from laboratory tests and those predicted by the present method. The failure surfaces, considering the ultimate tensile capacity in the H-M, H-V, and M−V planes, and in the H-M−V space, for suction caissons in sand, were presented.     

Model testing of tripod caisson foundations in silty clay subjected to eccentric lateral loads

In this study, model tests were conducted to investigate the bearing capacities of tripod caisson foundations subjected to eccentric lateral loads in silty clay. Lateral load–rotation curves of five eccentric-shaped tripod suction foundations were plotted to analyze the bearing capacities at different loading angles. It was observed that the loading angle significantly influenced the bearing capacity of the foundations, particularly for eccentric tripod caisson foundations. Compared with eccentric tripod caisson foundations, the traditional tripod foundation has a relatively high ultimate lateral capacity at the omnidirectional loading angle. By analyzing the displacement of the caissons, a formula for the rotational center of the tripod caisson foundation subjected to an eccentric lateral load was derived. The depth of the rotation center was 0.68–0.92 times the height of the caisson when the bearing capacity reached the limit. Under the undrained condition, suction was generated under the lid of the “up-lift” caisson, which helps resist lateral forces from the wind and waves.     

循环荷载作用下软土中吸力锚承载力拟静力有限元分析

建议了一种利用软土不排水循环强度，评价静荷载与循环荷载共同作用下软土中吸力锚承载力的拟静力弹塑性有限元方法。该方法首先依据软土的不排水静强度，通过弹塑性有限元计算，确定平均系泊荷载作用下土体单元的八面体平均剪应力，再据此确定与一定循环破坏次数对应的土单元循环强度；然后，按土单元循环强度再次通过弹塑性有限元计算，确定锚系泊点沿系泊方向的荷载位移曲线；最终由荷载位移曲线、按位移破坏标准确定锚的循环承载力。这一方法的特点是考虑了平均系泊荷载对软土循环强度、进而对静荷载与循环荷载共同作用下锚承载力的影响。为说明这一方法的可行性，进行了不同锚径、不同长径比、不同平均荷载、不同摩擦系数、不同加载方向、不同破坏模式条件下的软土中吸力锚循环承载力模型试验。利用拟静力有限元方法对模型试验结果进行了预测，预测结果比试验结果偏小，平均偏小不超过10%。模型试验结果还表明，软土中锚的归一化循环承载力随循环破坏次数的变化只取决于归一化平均荷载，可以忽略加载方向、锚的直径、锚外壁摩擦系数对归一化循环承载力变化关系的影响。若归一化平均荷载为0.5，当循环破坏次数为1000时，对于竖向破坏的锚，循环承载力大约为静承载力的75%；对于水平破坏的锚，循环承载力大约为静承载力的80%，这与已有的离心模型试验结果基本一致。     

复合加载情况下六自由度圆形基础失稳模式与 极限承载能力研究

海洋工程中结构物除了受到自身重力作用外,往往还受到海风、海浪、海流等的作用,使得海床土体中的基础一般受到集中力、弯矩和扭矩的联合作用,这一受力状态称为结构物基础的复合加载模式。详细研究复合加载模式下海床土体的失稳模式和极限承载能力,对海洋结构物的安全运行至关重要。以三维空间内圆形基础为研究对象,基于土体弹塑性极限平衡原理,利用非线性有限元分析软件ABAQUS,对空间六自由度圆形基础极限承载能力进行详细的数值分析。基于上述计算分析结果,揭示了单调加载情况下土体的失稳机理与极限承载能力,给出了复合加载模式下海床土体破坏包络面方程。给出的土体失稳模式和破坏包络面方程能够合理地评估复合加载模式下海床土体的极限承载能力。