复合加载模式下地基失效机制研究

在土体极限平衡定理的基础上,利用有限元数值分析软件ABAQUS对复合加载模式下地基失效机制进行了详细地研究。结果表明,竖向荷载V控制着地基破坏滑裂面的深浅程度,水平荷载H和力矩荷载M造成了地基破坏模式的非对称性;文中提出的前倾勺形破坏模式和后仰勺形破坏模式,合理地解释了H-M荷载空间中破坏包络面的非对称性,并给出了H-M荷载空间中不同的地基失效模式与荷载分量间的关系和地基土体中出现极限力矩荷载时的经验判断公式。     

复合加载下软基上半圆堤结构稳定性分析

半圆堤是适用于软土地基的一种轻型重力式的新型防波堤结构,复合加载模式下软基上半圆堤的稳定性计算和结构破坏模式尚需建立合理的分析和计算方法。将加载模式与软基上大型海岸结构稳定性分析的有限元模拟方法相结合,同时考虑半圆堤在不同荷载组合时可能发生沿底板或抛石基床底部的滑动破坏及地基竖向承载力破坏,建立了复合加载模式下软基上半圆堤的稳定性分析方法,得出了结构的稳定性破坏模式和破坏包络线（面）,并分析了箱内填砂量、抛石基床宽度及地基加固深度对半圆堤稳定性的影响。计算结果表明：半圆堤结构在复合荷载作用的破坏包络线（面）均由一定区域的结构滑移破坏面和地基承载力破坏线（面）组成,并将整个荷载组合区分成4个区域：稳定区、只发生滑移破坏区、只发生地基承载力破坏区和同时发生滑移和地基承载力破坏区;荷载与位移组合加载模式得到的地基承载力破坏包络线位于Swipe加载方式得到的破坏包络线之外,但对每种加载方式得到的地基承载力破坏包络线变化趋势基本一致;随着箱内填砂高度的增加沿沉箱底部和抛石基床底部的抗滑安全系数均增加,但地基承载力安全系数减小;随着抛石基床宽度或地基加固深度的增加,地基承载力安全系数明显增大。     

倾斜与偏心荷载作用下裙板式基础破坏包络面研究

联合采用Swipe加载模式与固定位移比加载模式,对裙板式浅基础在倾斜与偏心荷载两种加载条件下的承载性能进行了比较系统的平面应变有限元分析,主要探讨了裙板式基础埋深、地基土不排水强度的非均质性对基础在竖向荷载V与水平荷载H、竖向荷载V与弯矩M加载平面内的破坏包络面的影响,揭示了地基在不同荷载分量组合条件下的失稳破坏机制。结果表明,基础埋深与地基土强度的非均质性对于地基失稳模式有较大影响,但V-H和V-M平面内的破坏包络面形状具有较好的归一化特性,并分别建议了裙板式基础在倾斜和偏心荷载作用下的破坏包络面方程。     

刚性桩复合地基水平承载力特性

利用三维非线性弹性有限元方法,研究了刚性桩复合地基在不同垂直荷载作用下的水平承载力特性,分析了不同褥垫层厚度及其地基土的性质对复合地基水平受力特性的影响,得出了水平荷载作用下桩身弯矩和挠度的分布规律。研究表 明,垂直荷载的大小改变了复合地基水平荷载作用下的破坏模式,直接影响着其水平承载力;适当的垫层厚度可降低桩所分担的水平荷载,有利于桩身的安全。     

砂土地基中受水流影响的竖向力-水平力联合受荷桩承载特性模型试验研究

海上风机大直径单桩基础除承受竖向荷载V与水平荷载H外,同时还受水流冲刷、扰动。基于Swipe加载法,在室内水槽模型中设计完成了砂土中的V-H联合受荷桩测试,获得了静、动水流状态及不同竖向力大小条件下的荷载-位移曲线及桩身弯矩分布;经无量纲化处理与拟合,得到了考虑水流影响的V-H联合受荷桩承载力包络线及其简化计算公式。结果表明:水流冲刷降低了总的桩侧摩阻力,导致竖向荷载-位移曲线初始刚度降低;桩身水平位移和弯矩在仅受水流作用时较小,但同时受水流、水平荷载作用相比于单一水平受力时则明显增大;增加桩顶竖向荷载在水平位移较小时有助于提高桩身水平承载力,但随水平位移增大且竖向荷载接近竖向极限承载力V_u时,可能会因重力二阶(P-Δ)效应而削弱桩身水平承载力;桩身最大弯矩位置不会随水流状态与竖向荷载大小的改变而明显变化,基本保持在泥面以下2～3倍桩径处。     

复合加载条件下沉箱基础稳定性的三维效应

联合采用swipe加载模式与固定位移比加载模式,对于吸力式沉箱基础在水平荷载H与力矩M的复合加载条件下的稳定性进行比较系统的三维有限元分析,主要探讨了基础埋深与直径之比、地基土不排水强度的非均质性对于基础在H-M荷载空间内的破坏包络轨迹的影响,揭示了地基在不同荷载分量组合条件下的失稳破坏机制,并与平面应变假定下得到的结果进行了比较。计算结果表明：平面应变与三维情况下基础的破坏包络面形状有较大差异,分析基础稳定性时,必须考虑其三维效应。在三维情况下,非均质土中埋深与直径之比较小的基础的破坏包络面仍然会向负方向倾斜,已有的包络面方程明显高估这种情况下沉箱基础在正向水平荷载与力矩联合作用下的承载力,从而导致基础设计偏于不安全。     

强夯块石墩复合地基承载力的确定

利用中国建筑科学院地基所对矿石桩进行的模型试验结果,分析了散体桩（墩）发生剪切破坏、刺入破坏和鼓胀破坏的不同条件,得出强夯块石墩复合地基最有可能的破坏形式为剪切破坏。在此基础上,提出了强夯块石墩单墩承载力计算模型,推导出了强夯块石墩单墩和强夯块石墩复合地基承载力的计算公式,并通过计算值与现场荷载试验结果的对比,验证了模型分析结果的正确性,从而为强夯块石墩复合地基承载力的确定提供了理论上合理、实践中     

水平荷载作用下PCC桩复合地基工作性状

利用河海大学岩土所自行研制开发的大型试验模型槽进行PCC桩水平承载足尺试验,实测得到了水平荷载作用下桩身弯矩分布。利用三维弹塑性有限元方法,研究了PCC单桩与等截面实心圆桩、PCC桩复合地基与等截面实心圆桩复合地基在水平荷载作用下的工作性状,对其桩身弯矩和水平位移的分布规律进行了比较,分析了竖向荷载、褥垫层厚度、基础埋深和置换率对PCC桩复合地基桩身性状的影响。研究表明,PCC桩复合地基在水平荷载作用下,随着竖向荷载、褥垫层厚度、基础埋深和置换率的增加,其桩身弯矩和水平位移随之减小。因此,在PCC桩复合地基设计时可以通过适度调整这些影响参数来减小水平荷载作用下的桩身弯矩和水平位移,确保桩身的安全。     

夯实水泥土桩复合地基有效桩长与桩身强度关系试验研究

通过室内模型试验,实测得到水泥土材料的破坏形式、夯实水泥土桩复合地基桩土荷载分担比、桩土应力比、桩间土深层变形等承载及变形性状。给出了文中试验条件下,给定桩身强度的夯实水泥土桩复合地基的有效桩长或有效复合土层厚度,认为设计夯实水泥土桩复合地基时,应考虑桩身强度对承载力的影响桩体,设计应以桩身强度控制,使由桩身强度确定的单桩承载力大于（或等于）由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力。     

CFG复合桩在软弱地基处理中的应用

某工程采用CFG复合桩对软弱地基土进行处理,持力层为粉质粘土,设计单桩承载力标准值180kPa,复合地基承载力标准不低于220kPa,采用沉管法施工。成桩后进行桩间土的力学性质测试发现,施工前后桩问土的强度没有提高,土的挤密度不明显;运用单桩静力载荷试验分析发现,I区的l号桩发生刺入破坏,单桩承载力标准值按比例荷载计算为105kPa,远低于理论预估值,Ⅱ区单桩承载力标准值按比例荷载计算为185kPa,与设计值相近。用单桩动测试分析发现原因是由于桩间土的差异及施工桩身的施工质量问题所致。     

Undrained capacity of surface foundations with zero-tension interface under planar V-H-M loading

Undrained capacity of strip and circular surface foundations with a zero-tension interface on a deposit with varying degrees of strength heterogeneity is investigated by finite element analyses. The method for simulating the zero-tension interface numerically is validated. Failure envelopes for strip and circular surface foundations under undrained planar V-H-M loading are presented and compared with predictions from traditional bearing capacity theory. Similar capacity is predicted with both methods in V-H and V-M loading space while the traditional bearing capacity approach under-estimates the V-H-M capacity derived from the numerical analyses due to superposition of solutions for load inclination and eccentricity not adequately capturing the true soil response. An approximating expression is proposed to describe the shape of normalised V-H-M failure envelopes for strip and circular foundations with a zero-tension interface. The unifying expression enables implementation in an automated calculation tool resulting in essentially instantaneous generation of combined loading failure envelopes and optimisation of a foundation design as a function of foundation size or material factor. In contrast, the traditional bearing capacity theory approach or direct numerical analyses for a given scenario requires ad-hoc analyses covering a range of input variables in order to obtain the ‘best’ design.     

倾斜荷载作用下桶形基础承载力特性研究

针对吸力式桶形基础结构,借助大型通用有限元软件ABAQUS平台,建立了均质软黏土地基上倾斜荷载作用的三维弹塑性有限元计算模型。通过系统地计算分析,得到了单个倾斜荷载分量作用下桶形基础的承载力特性及其破坏机制。进一步研究了水平倾斜荷载与竖向倾斜荷载共同作用下的桶形基础承载性能,得到了该倾斜荷载加载方式作用下桶形基础在V-H平面内的破坏包络面,依此建立了倾斜荷载与偏心距e之间的三维破坏包络曲面。计算结果表明,偏心距e对竖向倾斜承载力的影响相对水平倾斜承载力较大;桶形基础承载性能随着偏心距e的增大而减小。     

竖向与水平复合加载下桶形基础承载性能的分析

在竖向和水平力共同作用的复合加载条件下地基承载性能及其破坏模式是吸力式桶形基础设计与施工中的关键技术问题。为此,以大型通用有限元分析软件系统ABAQUS为基础建立了桶形基础三维有限元计算模型,运用位移控制法确定了均质软黏土地基极限承载力系数与位移之间的归一化关系;采用Swipe试验加载方法,确定了桶形基础在竖向力与水平力平面上的地基破坏包络图,从极限分析上限方法的角度探讨了由数值计算所揭示的桶形基础破坏机制。     

Undrained capacity of a surface circular foundation under fully three-dimensional loading

Circular foundations are widely employed in offshore engineering to support facilities and are generally subjected to fully three-dimensional loading due to the harsh offshore environmental load and complex operational loads. The undrained capacity of surface circular foundations on soil with varying strength profiles and under fully three-dimensional loading is investigated and presented in the form of failure envelopes that obtained from finite element analyses. The combined ultimate limit state of circular foundations is defined as the two-dimensional failure envelopes in resultant H-M loading space accounting for the vertical load and torsion mobilisation. The effects of vertical load and torsion mobilisation, soil shear strength heterogeneity and loading angle from moment to horizontal load on the shape of normalised H-M failure envelopes are explored. A series of expressions are proposed to describe the shape of failure envelopes obtained numerically, enabling essentially instantaneous generation of failure envelopes and optimisation of a circular foundation design based on constraint of any input variable through implementation in an automated calculation tool. An example application is ultimately provided to illustrate how the proposed expressions may be used in practice.     

非共面复合加载条件下桶形基础稳定性研究

采用荷载-位移联合搜索方法,对于饱和软黏土地基上裙板式桶形基础在水平荷载H、力矩M与扭矩T的非共面复合加载条件下的稳定性进行了比较系统的三维有限元分析,主要探讨了在不同荷载空间内桶形基础的破坏包络轨迹。在分析中,地基土服从基于Tresca屈服准则的理想弹塑性本构关系。计算结果表明,与传统共面复合加载情况相比,非共面复合加载条件下桶形基础的破坏包络面形状有较大差异。非共面复合加载情况下,包络面形状不依赖于基础埋深比,可用简单的圆或椭圆方程进行描述。根据有限元计算结果,将已有的三自由度破坏包络面方程扩展到六自由度复合加载空间内,进而初步建议了一个六自由度破坏包络面方程,并对于实际工程中常用的桶形基础埋深比,给出了方程中偏心度参数取值的确定方法。该方程可用来合理评价复杂荷载条件下软黏土地基上桶形基础承载力。     

黏土中桶式基础的宏单元模拟

本研究旨在对黏土中的桶式基础进行从完整的有限元分析到简化的宏单元的建模。首先通过有限元方法分析了在不同单调组合荷载作用下的黏土中吸力桶基础。为保证模拟结果的可靠性,采用了硬化土模型（HS）对正常固结黏土地基进行模拟。通过对比离心试验验证了使用HS模型的有限元分析的有效性,并通过径向位移试验进一步延伸到V-H-M（竖向力-水平力-弯矩）空间的破坏模式研究,并在此基础上,提出了的V-H-M空间三维破坏包络面公式。接着,应用此三维破坏包络面公式,采用亚塑性框架提出了黏土中桶式基础的宏单元设计模型。通过与试验结果的比较,验证了宏单元模型在模拟单调和循环荷载条件下桶式基础的强度与变形响应的有效性。所提的宏单元模型对于海洋岩土工程设计实践将很有帮助。     

软黏土强度非均质性对复合加载模式下桶形基础破坏包络面的作用分析

针对非均质软黏土地基上复合加载模式下桶形基础的破坏包络面,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行了三维非线性数值分析。通过比较系统的数值计算与分析,考察了软黏土非均质性对复合加载模式下桶形基础破坏包络面形状的作用及影响。结果表明：软黏土地基的不排水抗剪强度对于力矩为0的平面内,其应力归一化的破坏包络面影响不大,而在水平荷载与竖向荷载为0的平面内,其应力归一化的破坏包络面具有一定影响。通过与有关模型试验的对比分析,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。