复合加载下考虑接触作用的地基承载特性数值分析

港口、海洋工程结构物基础一般处于复合加载状态,其极限承载力通常采用近来引入的极限荷载图进行评价.对位于地基表面的重力式海洋基础,需要考虑基础与地基间的接触特性对极限承载力的影响.以大型通用有限元软件ABAQUS为计算平台,建立了复合加载模式的地基极限承载力数值分析方法;针对饱和黏土地基上的表面基础,利用在ABAQUS平台上开发的接触计算模块,模拟基础与地基间竖向可分离、切向完全粘结的接触作用;进而基于建立的分析方法,进行系统的有限元计算,分析地基的破坏模式随荷载条件的变化,给出地基的极限荷载包络图,并与经典承载力计算公式结果进行对比.研究结果表明,经典承载力计算公式低估了三维荷载条件下的地基极限承载力,有限元计算模型及数值分析方法,可以较好地分析研究地基的失稳机理及承载力特性,并可考虑基础与地基不同的接触条件对破坏模式及组合极限承载力的影响.     

离岸深水全直桩码头承载性能有限元分析

全直桩码头是适于软土地基上离岸深水海域的新型高桩码头结构型式,其承载机理与传统高桩码头存在较大差异,且软土地基循环软化效应显著。建立全直桩码头结构与地基相互作用三维弹塑性有限元模型,基于二次开发采用拟静力法对土体循环软化效应进行模拟。通过有限元模型研究全直桩码头的承载特性与破坏模式,并探讨水平极限承载力的影响因素。研究表明水平荷载作用下,基桩的塑性破坏是结构失稳的控制因素,地基土体的承载力对结构水平极限承载力不起决定性作用;竖向荷载作用下,结构竖向极限承载力由地基土体强度决定。研究范围内入土深度对结构水平极限承载力影响不大,但桩壁厚度减小或考虑土体软化后,结构水平极限承载力明显降低。设计中,增加入土深度可有效减小土体软化引起的水平极限承载力降低程度,且应考虑结构腐蚀和土体软化对水平极限承载力的双重降低效应,为钢管桩预留足够的腐蚀富裕量。     

有限元法在桩靴承载力计算中的应用

自升式钻井平台插桩是地基土在桩靴荷载作用下发生连续的塑性破坏的动态过程,当地基极限承载力等于桩靴荷载时插桩完成。经典土力学极限承载力理论对土体潜在滑动面做了假设,无法有效分析土体内部的破坏过程。本研究应用有限元法（FEM ）对插桩过程进行了模拟,得到地基土的破坏机制以及中间荷载下土体的应力、应变情况,通过和各理论公式计算的极限承载力进行对比分析,分析影响地基极限承载力的因素。研究表明,基础宽度与硬土层厚度的比值 B/H越大,下卧软土层越容易发生塑性破坏,极限承载力明显下降,当B/H＜0．286时,可以忽略下卧软土层对地基承载力的影响。     

基于锥形破坏面的桩靴式钻井平台插桩阻力分析

在分析桩靴式钻井平台插桩过程中地基土的破坏形式的基础上,将桩靴下土体破坏面假定为锥形面,根据极限平衡理论,推导出了均匀、双层地基土中基于被动土压力的插桩阻力计算公式。通过插桩实例对所推导的公式进行了验证,分析比较了极限承载力与插桩阻力的异同,讨论了插桩阻力计算公式推导过程中土体假设为锥形破坏面的合理性,认为本文推导的插桩阻力计算公式作为桩靴式钻井平台插桩深度预测方法更接近实际插桩结果。     

考虑冲刷影响的筒型基础竖向极限承载力研究

大直径宽浅式筒型基础,阻水宽度大,在位工作期间受波浪海流作用,其周围土体易被冲刷。为研究单侧地基土体受冲刷后筒型基础的竖向极限承载力变化,通过引进冲刷率的概念,采用有限元方法研究了不同冲刷率下筒型基础的竖向极限承载力;并基于Meyerhof理论建立了计算不同冲刷率下筒型基础竖向极限承载力的极限平衡方法。研究结果表明,随着冲刷率增大,筒型基础的极限承载力出现不同程度的下降,当冲刷率为0.8时,即筒型基础单侧土体冲刷深度达6.4 m时,筒型基础的竖向极限承载力折减率为3.28%。建立的极限平衡算法可准确计算冲刷条件下筒型基础的竖向极限承载力。     

单一地层平台插桩地基土破坏模式及插桩深度有限元分析

自升式平台插桩是地基土在桩靴荷载作用下发生连续塑性破坏的过程,当地基极限承载力等于桩靴荷载时插桩完成。经典土力学极限承载力理论对土体潜在滑动面做了假设,无法有效分析土体内部的破坏过程。因而,研究采用有限元极限分析法对单一地层中插桩时地基土渐进破坏过程进行了模拟,并与Skempton、Terzaghi公式计算的极限承载力进行了对比,取得了较为一致的结果,同时对插桩深度进行了预测。     

均质地基上浅埋矩形基础极限承载力上限分析

基于土体塑性极限分析理论,推导一般黏性土地基上矩形基础承载力的上限解。为了证实上限解的合理性与适用性,采用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行数值分析,并分别与Vesic理论解和Salgado et al理论解进行了对比。结果表明,推导的三维矩形基础上限解能较好地计算黏性土地基的极限承载力。     

Spar平台吸力式基础极限承载特性数值分析

以国外某深海Spar平台工程为背景,针对其所采用的细长型吸力式基础的抗拔承载特性进行三维有限元数值分析.分析中充分考虑土体强度、加载位置和加载角度对吸力式基础极限抗拔承载力的影响,本构模型中钢筒基础采用弹塑性模型.分析结果表明,吸力式基础的极限抗拨承载力随着土体强度的增大而增大,倾斜加载时在基础插入土体部分中点左右加载可取得最大的极限承载力,极限抗拔承载力还随着加载角度的增大而增大.吸力式基础存在倾斜加载时桶基础与桶内外土体的共同塑性屈服破坏和垂直加载时桶外土体的局部剪切破坏等两种不同的破坏模式.     

海上风机斜壁桶形基础承载特性研究

基于验证的三维有限元方法,考察了斜壁桶形基础的承载特性,得到了变形网格、位移增量分布、位移等值面分布等结果,探讨了斜壁倾角与各极限承载力之间的定量关系。计算表明,桶形基础发生竖向位移时,主要是桶体内部和桶基正下方的土体发生沉降,而桶侧的土体基本不发生沉降。桶形基础受到水平荷载发生转动时,转动中心轴大致位于桶基底面内,桶基水平承载力主要由桶内土体和桶基外侧中上部受压侧土体产生的抵抗反力构成。桶基因受到较大竖直向上荷载而失效时,桶内土体和桶基外侧靠近海床面附近土体产生了较大的向上位移。桶壁倾角β每增加1°,竖向抗压极限承载力、竖向抗拔极限承载力、水平极限承载力分别提高12%、17.4%及3.8%。     

地基对管线的极限承载力

本文根据极限分析原理,建立了地基对铺设在地表的管线的极限承载力的差分解法,给出了理想粘性土的承载力的解析解,并提出了无粘性土当边载为零时的承载力的计算途径。计算结果与实测值比较一致。     

Influence of the Spudcan Angle on the Ultimate Bearing Capacity of Jack-up Platform

Jack-up platforms of the Ocean engineering structures always withstand the vertical gravity loads which are applied to the seabed by spudcan, so it is important to determine the bearing capacity and the penetration depth of the spudcan for its geometry. In fact, it is up to the deformation law and the failure modes of soil surrounding the spudcan which can calculate the ultimate bearing capacity of the spudcan foundation on the soil seabed. By using the finite element analysis software Abaqus, the deformation law of soil around the spudcan is analyzed in detail, and the failure modes of soil surrounding the spudcan foundation are achieved. At the same time, based on the limit equilibrium theory, by use of static permissible slip-line field, the ultimate bearing capacity of the spudcan foundation is analyzed and the lower limit solution is derived theoretically, and the effect of the spudcan angle on the ultimate bearing capacity is investigated. The numerical results are compared with those obtained by the theoretical formulas deduced in this paper. On the basis of the lower limit solutions in this paper, the effect of the spudcan angle on the ultimate bearing capacity is revealed, and a practical bearing capacity formula is given to take the effect of the spudcan angle into consideration.     

薄壁梁约束扭转极限承载能力简化计算方法研究

为了快速并有效地计算海洋平台等薄壁箱型梁结构的约束扭转极限承载能力,进行了薄壁梁约束扭转极限承载能力简化计算方法研究.基于塑性极限状态分析理论,提出了薄壁梁约束扭转极限状态应力分布假设,将薄壁梁视作为一系列由主要支撑构件和扶强材支撑的板格,推导了薄壁梁约束扭转极限承载能力上限的计算公式.应用非线性有限元方法验证了所提假设和计算公式的精度,将所提方法应用于箱型梁模型和半潜平台的约束扭转极限承载能力的计算分析,并与非线性有限元结果进行了比对,结果表明,本方法具有较高的精度,可用于海洋平台等薄壁梁的扭转极限承载力上限的估算.     

Ultimate Bearing Capacity of Subsoils to Marine Pipelines

- Based on the theory of limit analysis, the Finite Difference Method (FDM) is established for evaluating the ultimate bearing capacity of subsoils to bear the unburied pipelines. The analytical results of bearing capacity of the ideal clay is given. The approach to bearing capacity evaluation of cohesionless subsoils without surcharge is suggested. The results from this method are consistent with those obtained from model tests.     

Study on Failure Mechanism and Bearing Capacity of Three-Dimensional Rectangular Footing Subjected to Combined Loading

This paper presents two kinematic failure mechanisms of threc-dimensional rectangular footing resting on homogeneous undrained clay foundation under uniaxial vertical loading and uniaxial moment loading. The failure mechanism under vertical loading comprises a plane strain Prandti-type mechanism over the central part of the longer side, and the size of the mechanism gradually reduces at the ends of the longer side and over the shorter side as the corner of rectangular footing is being approached where the direction of soil motion remains normal to each corresponding side respectively. The failure mechanism under moment loading comprises a plane strain scoop sliding mechanism over the central part of the longer side, and the radius of scoop sliding mechanism increases linearly at the ends of the longer side. On the basis of the kinematic failure mechanisms mentioned above, the vertical ultimate bearing capacity and the ultimate bearing capacity against moment or moment ultimate bearing capacity are obtained by use of upper bound limit analysis theory. At the same time, numerical analysis results, Skempton＇ s results and Salgado et al. ＇s results are compared with this upper bound solution. It shows that the presented failure mechanisms and plastic limit analysis predictions are validated. In order to investigate the behaviors of undrained clay foundation beneath the rectangular footing subjected to the combined loadings, numerical analysis is adopted by virtue of the general-purpose FEM software ABAQUS, where the clay is assumed to obey the Mohr-Coulomb yielding criterion. The failure envelope and the ultimate bearing capacity are achieved by the numerical analysis results with the varying aspect ratios from length L to breadth B of the rectangular footing. The failure mechanisms of rectangular footing which are subjected to the combined vertical loading V and horizontal loading H （Vertical loading V and moment loading M, and horizontal loading H and moment loading M respectively are observed in the finite e     

海底防沉板—桩复合基础承载特性数值分析

为了研究桩长对海底防沉板—桩复合基础在水平、弯矩和扭转荷载作用下承载特性的影响,以我国南海水深200 m的某工程实例为研究对象,利用Flac3D有限差分仿真软件建立了计算模型。研究了桩长为4 m、6 m和8 m的防沉板—桩复合基础在水平、弯矩和扭转荷载作用下的极限承载力和荷载传递机理。结果表明,桩长超过6 m时复合基础的水平承载力显著增长,在水平加载过程中,防沉板总是先达到极限状态而破坏,桩基础的贡献在加载后期体现,且桩长为4 m、8 m时,桩基础与防沉板的连接处弯矩最大;随着桩长的增加,复合基础的抗弯承载力大幅提高,桩基础对复合基础的抗弯承载力贡献增大,当桩长超过8 m,桩长的增加对提高复合基础的抗弯承载力意义不大;在弯矩加载过程中,桩长对于防沉板、桩基础的荷载分配有显著影响,桩长为4 m时,外荷载主要由防沉板承担,当桩长超过4 m时,外荷载主要由桩基础承担;当扭转荷载不超过2 100 k N·m时,防沉板承担主要荷载,直至防沉板达到极限状态而发生旋转,随后桩基础的承载力逐渐发挥;对于桩长为6 m、8 m的复合基础,其极限状态根据防沉板适用性准则确定。     

深海吸力锚水平极限承载力研究

深海吸力锚基础的极限承载能力是海洋工程锚固系统的一个关键问题。基于Coulomb摩擦接触对原理,给出一种模拟吸力锚承载能力的有限元模型。在该数值模型基础上,利用通用有限元分析软件ABAQUS,研究系泊点位置、吸力锚长径比对极限承载力的影响,并给出深海吸力锚失稳模式。结果表明,系泊点位置极大地影响着吸力锚的极限承载力与稳定性,系泊点位置的变化会导致吸力锚出现前倾转动、平移滑动和后仰转动失稳模式,同时吸力锚失稳模式受长径比的影响。为工程实际和理论分析提供了技术支持和理论指导。     

海上风电大直径加翼桩水平承载性能研究

为改善海上风电大直径钢管桩的水平承载性能,基于ABAQUS有限元软件对单桩改进形式的加翼桩结构进行了系统研究,计算分析了软黏土地基中加翼桩在水平荷载作用下桩身弯矩、应力、位移、桩身泥面处倾斜率和极限承载力,研究了加翼桩面积、形状、埋深和刚度等翼板参数对加翼桩水平承载性能的影响规律,根据加翼桩的桩-土作用机理,参考现行规范模式提出适用于软黏土地基大直径钢管桩的P-Y曲线。研究结果表明,加翼桩通过在泥面处设置翼板可降低桩基泥面处倾斜率50%、提高桩基极限承载力60%以上,加翼桩水平承载性能明显优于单桩。     

循环载荷作用下损伤船体梁极限强度研究

为了研究循环载荷作用下扶强材初始损伤对其极限强度的影响,进行了14组扶强材的循环加载试验和分析。构造了考虑材料累积损伤完整、断筋和大变形的扶强材单元极限承载力计算公式,提出了相应循环载荷作用下损伤扶强材单元的端缩曲线表达式和船体梁极限强度计算的简化逐步破坏法。编制了循环载荷作用下船体梁损伤极限强度计算程序,进行了船体梁极限强度计算,并与有限元结果进行对比。研究结果表明：改进的损伤扶强材模型可较为准确地描述扶强材材料损伤的完整、断筋和大变形的极限承载力退化情况,扶强材腹板断裂的损伤相较初始大变形及材料累积损伤形式承载力下降程度更明显;所提出的循环载荷作用下损伤船体梁极限强度计算的简化逐步迭代方法,能定量地计算扶强材在不同类型损伤下的极限承载力退化程度,具有较高精度,方便易行,可应用于工程设计。