吸力式沉箱基础极限拉拔承载力的数值分析

作为新型的深水海洋基础型式,吸力式沉箱基础被广泛地用于系泊深水海洋设施中,从而承受巨大的倾斜上拔荷载。在上拔荷载水平分量与竖向分量的共同作用下,吸力式沉箱的承载特性及其工作性能评价是海洋工程设计与建设中的关键技术问题之一。然而现有的理论分析与试验研究并不能满足工程实践的需要,因此,对吸力式沉箱基础的极限承载力分析建立了有限元数值计算方法。当沉箱基础在快速拔出过程中,正常固结黏土处于完全不排水状态,沉箱基础发生整体破坏时表现出反向地基承载力失稳模式,此时沉箱基础所发挥的极限承载能力往往最大。为此,在数值计算中直接假定沉箱基础及其周围土体处于完全不排水状态,针对不同的沉箱长径比,分别确定了在竖向上拔荷载和水平拉拔的单独作用下沉箱基础极限承载力。对比发现：竖向上拔极限承载力有限元解能够较好地与理论计算结果相符合,而水平极限承载力解与理论计算结果存在一定的差异。     

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。     

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。     

十字形内隔板对桶形基础各单向承载力和破坏模式的影响分析

为了研究十字形内隔板对吸力式桶形基础各单向承载力和破坏模式的影响,分别建立了软土地基上带十字形内隔板和不带内隔板的吸力式桶形基础及实心圆形基础的有限元模型,并利用位移加载法对3种基础在不同基础埋深比和土体剪切强度时的各单向承载力进行了大量的有限元计算和分析。计算结果表明,当软土地基的剪切强度均一时,吸力式桶形基础的各单向承载力基本不受内隔板的影响,3种基础的破坏模式基本相同;当软土地基的剪切强度不均一时,在深径比较小时,十字形内隔板可明显提高桶形基础承受力矩和水平荷载的能力(尤其是力矩承载力),其提高效果随着土体剪切强度不均一度指标的增大而增大,且基本等同于实心圆形基础,但对竖向承载力提高不大,剪切强度不均一的软基上埋深比较小的不带内隔板的桶形基础在转角或水平位移加载下的破坏模式和另外两种基础有显著不同。给出了带十字形内隔板的吸力式桶形基础各单向承载力的简化计算公式。     

饱和软黏土地基中桶形基础水平承载力研究

相比于传统基础,桶形基础作为一种新型的浅海基础形式具有诸多明显的优点,但其使用历史相对较短,设计理论也还不够完善。基于此,利用三维有限元方法和极限平衡方法对单桶形基础的水平承载力进行了数值计算和理论推导,并基于分析结果,给出了适用于估算饱和软黏土地基中单桶形基础水平承载力的简便公式,为指导工程设计提供一定的参考意见。     

砂土地基中吸力式沉箱的极限沉贯深度分析

吸力式沉箱是广泛应用于离岸结构物中的新型基础形式,贯入分析方法的研究是很重要的课题。分析了砂性土地基吸力贯入过程中的渗流状况,得出了筒内壁的压降比率与贯入深径比的关系公式,分析评估了抽吸作用对筒内壁压降比率的影响,提出了砂土地基中吸力贯入阻力和地基极限吸力的简便计算方法,给出了砂土地基中极限贯入深径比的计算公式,分析了各种砂土地基中的吸力贯入极限深径比。不计筒体自重和抽吸效应影响时,这一比值介于2.1～2.5之间。     

偏心荷重下转动浅基承载力的严密解法

根据偏心荷载作用下地基失稳的特征,构建了偏心荷重下地基极限状态时土体中不连续应力场和速度场,分析了土体中不连续应力场和速度场的特点。基于上、下限原理的推论,建立计算模型,构建求解地基极限承载力的算法,通过解三类边值问题,求得偏心荷重下转动浅基极限承载力的严密解,该解满足刚性基础转动的速度边界和其他已知的边界条件。算例表明解垂直偏心荷载下地基极限平衡问题的解法是可行的,且结论可靠。     

软土中吸力式桶形基础倾覆承载性能离心模型试验

输电杆塔和风电机组基础主要承受上部结构倾覆弯矩荷载,倾覆承载性能是该类基础设计中的关键问题。针对饱和软黏土地基中的杆式结构桶形基础,通过开展位移控制循环加载、位移维持加载、力控制循环加载和单调静力加载离心模型试验,研究其倾覆承载能力。试验发现,当桶形基础达到极限承载力时其转动中心位置约在桶盖正下方0.8倍桶裙高度处;当循环倾覆弯矩幅值与极限抗弯承载力比值小于3/5时,桶形基础在循环过程中转角的累积难以持续增长,并逐渐趋于稳定;循环加载作用下土与结构相互作用刚度出现明显弱化,所获得的桶形基础循环弱化因子阈值约为0.15;位移维持加载的峰值荷载-位移曲线与单调静力加载的荷载-位移曲线较为一致,位移维持加载的谷值荷载-位移曲线对应的承载力较峰值荷载-位移曲线对应的承载力明显偏小,减少约30%～40%。     

软黏土中张紧式吸力锚循环承载力简化计算方法

张紧式吸力锚是一种重要的深水浮式平台基础。深水环境中,海底浅层沉积物多为饱和软黏土。软黏土中平均荷载与循环荷载共同作用下吸力锚的循环承载力对其设计至关重要。根据最佳系泊点受倾斜荷载作用下吸力锚的破坏模式,假设不同破坏区土体具有相同的平均剪应力,且平均剪应力与循环剪切强度比等于吸力锚所受静荷载与静荷载和循环荷载之和的比值。结合室内土性试验获得的饱和软黏土样不固结不排水归一化循环剪切强度随归一化平均剪应力的变化关系曲线,建立了破坏区土体不排水循环剪切强度的确定方法。对不同破坏区土体阻力进行分析,按照水平应力具有连续性这一特点,构建了上部滑动楔体破坏区与深部平面流动破坏区交界深度的计算方法,进而提出了计算吸力锚循环承载力的简化极限平衡方法。采用该方法对竖向和水平破坏模式吸力锚循环承载力模型试验结果进行了预测,预测与试验结果基本吻合,最小和最大偏差分别为0.79 %和16.08 %,平均偏差为5.74 %,可较好地反映吸力锚循环承载力随循环破坏次数增加而减小的变化关系,验证了该方法的可行性。     

砂土中桶形基础吸力值的设定范围

吸力桶形基础沉贯与所施加的吸力密切相关,吸力值设置太小会导致吸力基础沉贯速度过慢,施工效益降低;吸力值设置太大将产生较高的桶内土塞,吸力基础下沉不到预定位置,从而使其承载力达不到设计要求,或引起砂土地基产生管涌破坏,因此必须确定合理的吸力值以满足工程建设需要。通过吸力桶形基础的静力平衡条件获得了沉贯所需最小吸力值;根据桶壁底部土体破坏特性,并依据Hencky应力方程建立了桶壁内、外侧土体之间的有效应力表达式,求解了土塞加速上升时的临界吸力值;基于吸力桶形基础内部砂土的管涌破坏机制确定了最大吸力值,结合最大和最小吸力的理论公式得到了吸力桶形基础的最大沉贯深度。最后,采用实例数据验证了所提出的最小、临界和最大吸力理论公式的合理性。     

带分舱板海上风电筒型基础承载特性试验研究

为正确评估分舱对于海上风电筒型基础承载特性的影响,对有、无分舱板的相同钢筒进行室内模型对比试验,分别得出在水平荷载及弯矩共同作用下和竖直荷载作用下的荷载-位移曲线,及筒内外侧壁土压力及顶盖土压力的分布规律,同时进行有限元分析模拟。试验和计算结果表明：在竖向荷载作用下,分舱板使基础的极限承载力略有提高,分舱板分担了筒顶盖和筒壁的竖向承载,降低了顶盖的承载比例;在水平荷载和弯矩共同作用下,分舱板为筒型基础提供了较大的抗拔承载力,使筒型基础在水平和弯矩荷载作用下的极限承载力提高了20.2%,降低了极限状态下的水平位移和倾角。总之,分舱板不但可以提高海上风电基础施工浮运过程的稳定性,还可以提高基础运行时的极限承载力。     

筒型基础水平向和抗倾承载力的极限分析上限解

海上风电是我国近年来重点发展的能源形式之一,大直径宽浅式筒型基础作为一种新型海上风电基础,具有更好的抗倾覆承载能力,更加适用于我国近海软黏土较多的土质特点;并可以实现岸边预制、海上基础?塔筒?风机整体浮运与安装,具有良好的经济效益。为更好地掌握宽浅式筒型基础的承载特性,针对海上风电基础承受水平向与倾覆荷载较大的特点,开展了数值分析对筒型基础的单向极限承载性能进行研究,得到水平向以及抗倾极限承载力和对应的承载模式;并基于筒型基础的承载模式,建立相应的破坏机动场和速度场,结合虚功方程和内部能量损耗率函数,采用数学软件编程求解了宽浅式筒型基础水平向和抗倾承载力的极限分析上限解,计算结果与数值结果的吻合程度良好。     

饱和砂土中桶形基础承载力的实验研究

桶形基础是近年开发的一种新型的可广泛应用于海洋工程结构的基础形式。由于多种优越性而受到各国石油部门的重视,并引起许多研究人员的关注。通过在饱和砂中的单桶和四桶基础模型实验,研究了桶形基础的静承载特性。分别进行了垂直方向和水平方向的加载实验,其中,四桶基础水平方向加载又分为沿四桶中心构成的正方形的平行边方向和对角线方向施加,得到了载荷位移曲线,对单桶和四桶基础承载力特性,以及加载方向和速率的影响进行了分析和比较。     

海上风机吸力式筒形基础抗压承载模式研究

吸力筒基础具有承载能力高、工艺简单、施工方便等优势,越来越广泛地应用于海上风电基础设计中。目前,吸力筒基础抗压承载计算方法尚没有统一的标准。为了降低海上风电基础设计成本,本文基于现有的API规范和地基承载力理论,总结3种不同吸力筒抗压承载模式,并提出“筒盖+筒壁外侧摩阻力”承载模式;根据工程案例和有限元软件PLAXIS验证其合理性,得出“筒壁端+筒壁内外侧摩阻力”承载模式和本文提出的“筒盖+筒壁外侧摩阻力”承载模式的计算结果符合DNV-OS-J101规范标准;按照本文提出的吸力筒抗压承载模式设计吸力筒尺寸,最大可降低13%的设计基础材料成本,有利于为海上风电吸力筒基础设计提供参考依据。     

桩-桶基础抗拔承载力分析

根据新型基础一桩-桶基础在上拔荷载作用下的颗粒流模拟试验结果,分析了桩桶基础在上拔荷载作用下土体的破坏过程,并对颗粒流模拟试验的颗粒的破坏面进行拟合,提出桩桶基础的上拔承载力计算模式。桩-桶基础的极限上拔承载力由破坏土体侧表面抗剪强度在竖直方向投影的集合及其包围土体土重和桩-桶基础自重组成,建立了桩-桶基础的上拔承载力计算公式,分析了上拔承载力影响因素。     

桶间距对四桶吸力式基础各单向承载力的影响及最优间距的确定

四桶吸力式基础由4个按正方形排列的吸力式桶形基础组成,并通过上部结构连成整体共同承受外部荷载,相比于单桶基础,四桶基础能承受更恶劣的海洋环境荷载,可作为海上风机和海洋平台等结构物的基础,具有广阔的应用前景。为探究饱和软土地基上四桶基础和单桶基础在承载力以及破坏模式方面的关系,优化四桶基础的设计,建立了大量的四桶和单桶基础的三维有限元模型,系统研究了不同基础埋深和土体剪切强度时桶间距对四桶基础各单向承载能力和对应的破坏模式的影响。结果表明,竖向承载力系数受桶间距影响较小,而水平承载力系数受其影响较大,力矩承载力系数受其影响尤为显著;在同一桶间距比时,四桶吸力式基础的各单向承载力系数随基础埋深比的增加逐渐增大,随土体剪切强度不均匀度指标的增大逐渐减小。通过分析四桶基础的各单向承载力、对应的破坏模式和群效应系数,定义了四桶基础的最优桶间距,可为四桶基础桶间距的优化设计提供依据。     

浅埋管道水平横向作用下砂土极限承载力研究

断层、滑坡、液化等地质灾害引起的场地大变形对埋地管道结构安全产生严重的威胁。开展了中密砂中埋地管道−砂土水平横向相互作用的系列三维数值模拟,根据数值模拟的结果探讨了不同深径比下管−砂土横向相互作用时土体的破坏模式,研究了深径比对砂土极限承载力的影响。基于管周土体的破坏模式建立了简化计算模型,根据极限平衡理论推导了管道水平横向运动时砂土极限承载力计算公式。研究结果表明：极限状态下,浅埋管道周围土体形成延伸到地表的破裂面,轮廓线近似对数螺线;砂土的极限承载力随着深径比增加,最终在临界深径比处达到稳定;随着深径比的增加,土体发生剪切滑动破坏所需的管道位移也逐渐增大;由于横向承载力系数取值依据不同,国内外规范计算所得土体极限承载力差异较大;得到的解析解能够较好地预测中密砂土中浅埋管道水平横向运动时土体的极限承载力。