吸力式筒形基础沉贯过程的大变形有限元模拟

吸力式筒形基础在海洋工程中已获得越来越广泛地应用,其安装过程的数值模拟对指导工程实践具有重要意义。在大型通用有限元软件ABAQUS平台上建立了二维轴对称模型,基于ALE（任意拉格朗日-欧拉法）技术模拟了黏土中吸力筒的大变形沉贯过程。模拟过程利用了子程序VUFIELD控制土体的不排水抗剪强度和弹性模量随土体深度变化。参照离心机试验及理论计算,对模型进行验证。利用已验证模型分析不同吸力下沉贯阻力、土塞高度,并讨论了筒壁摩擦特性。数值计算结果表明,ALE技术能有效地模拟吸力筒贯入过程,避免网格畸变。贯入方式对贯入阻力影响很大,吸力式贯入阻力明显低于压力式贯入阻力。进一步研究发现,随着最终吸力值的增大,沉贯阻力会显著降低,土塞高度会显著提高。对内壁摩擦特性的研究表明,内壁摩擦阻力是导致沉贯阻力改变的主要因素,并且相比吸力式贯入方式,筒壁摩擦特性会对压力式贯入造成更大的影响。     

分层土中裙式吸力基础吸力沉贯特性模型试验研究

针对一种新型海上风电基础形式-裙式吸力基础,开展模型试验,研究其在分层土地基中的沉贯特性。讨论了土层分布形式（砂土、黏性土、上层砂土及下层黏性土（简称上砂下黏）、上层黏性土及下层砂土（简称上黏下砂））、沉贯方式的影响。研究表明：裙式吸力基础在分层土中具有良好的沉贯性能。与传统吸力基础相比,裙式吸力基础在砂土、黏性土、上砂下黏和上黏下砂地基中最终沉贯深度较传统吸力基础分别增加10.0%、2.3%、3.0%和9.6%,沉贯最大吸力值分别增加0.9%、14.4%、66.2%和92.2%。黏性土层位置和厚度对基础沉贯特性影响显著。上黏下砂地层中,基础最大吸力值出现在土层分界面处,最大吸力值随土层分布系数t（上层土厚度与土体总厚度的比值）的增加而逐渐增大,最终沉贯深度随土层分布系数增加而逐渐减小。上砂下黏地层中,裙式吸力基础最大吸力值出现在最大沉贯深度处,吸力最大值随土层分布系数的增加而逐渐减小,最终沉贯深度受土层分布系数影响较小。此外,同时抽吸主桶和裙结构内水体进行沉贯,最终沉贯深度大于只抽主桶情况。在砂土、黏性土、上黏下砂（ 0.4）和上砂下黏（ 0.4）等4种地基中,裙式吸力基础采用同时抽主桶和裙结构的沉贯方式,最终沉贯深度较只抽主桶情况分别增大了13.8%、3.4%、16.4%和4.6%。研究成果为进一步阐明吸力基础在分层土中沉贯机制及指导工程实践,具有借鉴意义。     

易破碎砂土地基中“平底桩”贯入数值模拟分析

桩在贯入砂土地基时所产生的高应力会引起桩周砂土的破碎,在易破碎砂土地基中更为严重。砂土破碎会引起桩基承载力的降低,严重地会导致基础结构物失稳甚至倒塌破坏。针对平底桩贯入易破碎砂土地基所产生的上述问题,引入新近提出的砂土颗粒破碎本构模型,结合耦合欧拉–拉格朗日(CEL)方法在处理大变形计算上的优势,对平底桩贯入过程进行了数值模拟研究。首先,根据Dog’s bay钙质砂的三轴剪切试验结果,确定了砂土破碎模型的模型参数。然后,采用CEL方法对平底桩贯入Dog’s bay钙质砂的离心机试验进行了模拟,模拟结果与试验测量结果吻合,表明所提出的平底桩贯入易破碎砂土地基的模拟方法的有效性和可行性,砂土破碎可明显降低桩基的承载能力。研究结果可为桩基贯入易破碎砂土地基提供设计和施工依据。     

饱和砂土地基中吸力式桶形基础水平承载力研究

吸力式桶形基础不仅承受着上部结构及自身所引起的竖向荷载,还受到波浪、海流、海风等引起的水平荷载作用,在高纬度海域冬季还可能受到海冰的长时间挤压作用。利用三维有限元模型,研究饱和排水砂土条件下吸力式桶形基础的水平极限承载力和失稳模式,分析缓慢施加水平荷载时吸力式桶形基础失稳破坏机制,探讨不同长径比的桶形基础承载性能,研究桶体内外壁土压力分布情况和转动轴位置,并根据极限平衡解法,推导出饱和砂土地基桶形基础水平极限承载力计算公式。研究结果可为砂土地基条件下的吸力式桶形基础的设计提供参考。     

粉土中筒型基础贯入阻力的研究

筒型基础在海洋工程中应用广泛,贯入阻力的准确计算是筒型基础成功应用的关键。在海洋工程中,粉土是介于砂土与黏土间的特殊土,现有计算方法中将粉土等同于砂土,忽略了黏聚力c对贯入阻力的影响。开展了粉土中筒型基础的现场贯入试验,观测了自重下沉阶段与负压贯入阶段筒型基础贯入阻力与贯入深度的关系,提出了粉土中计算沉贯阻力的方法,并对不同筒端形式的减阻效果进行了深入分析。研究结果表明,采用现有规范方法计算粉土中筒型基础的贯入阻力值较实测值偏小20%,提出的两种方法不仅适用于计算粉土中筒型基础的贯入阻力,而且能够反映负压贯入阶段的减阻效果;尖筒端可使筒端阻力减少50%,减阻环可使筒侧摩阻力减少50%,但减阻环会破坏筒壁周围土体,形成渗流通道,导致负压失效。     

粉土中筒型基础贯入阻力的研究

筒型基础在海洋工程中应用广泛,贯入阻力的准确计算是筒型基础成功应用的关键。在海洋工程中,粉土是介于砂土与粘土间的特殊土,现有计算方法中将粉土等同于砂土,忽略了粘聚力c对贯入阻力的影响。文中开展了粉土中筒型基础的现场贯入实验,观测了自重下沉阶段与负压贯入阶段筒型基础贯入阻力与贯入深度的关系,提出了粉土中计算沉贯阻力的方法,并对不同筒端形式的减阻效果进行了深入分析。研究结果表明,采用现有规范方法计算粉土中筒型基础的贯入阻力值较实测值偏小20%,文中提出的两种方法不仅适用于计算粉土中筒型基础的贯入阻力,而且能够反映负压贯入阶段的减阻效果;尖筒端可使筒端阻力减少50%,减阻环可使筒侧摩阻力减少50%,但减阻环会破坏筒壁周围土体,形成渗流通道,导致负压失效。     

粉土中筒型基础贯入阻力的研究

筒型基础在海洋工程中应用广泛,贯入阻力的准确计算是筒型基础成功应用的关键。在海洋工程中,粉土是介于砂土与粘土间的特殊土,现有计算方法中将粉土等同于砂土,忽略了粘聚力c对贯入阻力的影响。文中开展了粉土中筒型基础的现场贯入实验,观测了自重下沉阶段与负压贯入阶段筒型基础贯入阻力与贯入深度的关系,提出了粉土中计算沉贯阻力的方法,并对不同筒端形式的减阻效果进行了深入分析。研究结果表明,采用现有规范方法计算粉土中筒型基础的贯入阻力值较实测值偏小20%,文中提出的两种方法不仅适用于计算粉土中筒型基础的贯入阻力,而且能够反映负压贯入阶段的减阻效果;尖筒端可使筒端阻力减少50%,减阻环可使筒侧摩阻力减少50%,但减阻环会破坏筒壁周围土体,形成渗流通道,导致负压失效。     

标准贯入试验成果在砂土中的应用

标准贯入试验是最常用的原位测试手段之一。在岩土工程勘察中,判定砂土的密实度、确定其地基承载力、判定饱和砂土的液化时均需采用标准贯入试验。在实际工程地质勘察中,如何正确运用标准贯入试验成果显得尤为重要。本文结合作者多年的工程地质实践活动,就标准贯入试验成果在砂土中的应用进行归纳整理,以便为岩土工程勘察服务。     

开口管桩高频振动贯入过程的ALE有限元分析

任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法吸取了拉格朗日和欧拉法的优点,避免了常规有限元中拉格朗日方法的网格畸变问题,适用于开口管桩高频振动贯入过程的计算分析。采用ALE有限元方法,建立开口管桩高频振动贯入过程的数值模型,对沉桩过程中挤土效应、桩侧阻力和土塞效应的变化规律进行了详细研究。研究结果表明:挤土应力主要沿径向传播,且深层土体受到的挤土应力比浅层土体大;水平挤土位移随管桩贯入深度的增加而增大,而最大水平挤土位移与管桩贯入深度存在累积效应;挤土效应的影响范围约为10倍管径,因此在施工过程中要给以足够重视;桩外侧摩阻力随贯入深度增加呈近似线性增长,桩内侧摩阻力随贯入深度增加而呈非线性增长,增长速率随贯入深度增加而逐渐增大;管内土塞处于不完全闭塞状态,土塞程度由完全非闭塞向部分闭塞过渡。此外,研究了土体模量、桩土界面摩擦系数、振动频率和桩径对土体位移的影响。     

塑性极限分析鱼雷锚锚尖贯入阻力

鱼雷锚安装过程中,锚尖形状影响尖部贯入阻力进而影响贯入深度。基于塑性极限分析理论下限法分析不同锚尖长径比x的椭圆形锚尖的贯入阻力和贯入阻力系数,并考虑了贯入深度、锚-土界面摩擦对贯入阻力以及贯入阻力系数的影响。结果表明:(1)锚-土界面光滑时,锚尖贯入阻力系数随着锚尖长径比的增大而减小;锚-土界面粗糙时,锚尖贯入阻力系数随着锚尖长径比的增大而增大。(2)摩擦力对贯入阻力系数的影响随着ξ增大而增大。(3)随着埋置深度增加,贯入阻力系数受x影响最小时所对应的摩擦系数逐渐减小。(4)当锚-土界面摩擦系数ω 0.75时,工程中可选用ξ1的锚尖用以减小端部贯入阻力;当ω0.26时,ξ1的锚尖提供更小的端部贯入阻力。锚尖长径比ξ=0和ξ=1的下限解与前人研究的桩基和圆形结构的理论解较为一致,进一步验证了所提出的椭圆形锚尖下限法模型的可行性。     

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。     

低裙式吸力桩真空沉贯及抗拔极限承载力

为了提高裙式吸力桩的承载力,使其更易于沉贯且能更好地保护主桶周围土体免受洋流刨蚀,提出了一种新型低裙式吸力桩模型,采用双桶负压法沉贯该桩,能有效减小土塞高度。提出的超低位真空预压法能够快速固结土体,缩短试验周期,采用该方法加固的土体,能够较好地模拟强度沿深度增加的地基土。在该土体上采用抽真空法沉贯不同规格的吸力桩模型,对比研究低裙式吸力桩的可贯性,分析其沉贯阻力,结合试验数据拟合出了沉贯阻力公式。最后,通过45°斜拉试验并结合PLAXIS 3D软件对吸力桩承载力展开研究,对比试验与数值模拟结果,分析新型低裙式吸力桩的合理性。     

砂土地基中海上风机吸力桶基础水平承载特性试验研究

砂性土地基中海上风机吸力桶基础水平承载特性对海上风机稳定性至关重要。本文通过室内模型试验,对不同荷载循环比作用下砂性土地基吸力桶基础水平承载特性进行了研究。试验表明:当循环荷载比ζ_b=0.33时,吸力桶基础累积变形在循环过程中变化不大; 当循环荷载比ζ_b=1.0时,吸力桶基础累积变形随循环次数增加一直增大并且有继续增大的趋势,循环结束后,ζ_b=0.33及ζ_b=1.0的循环累积变形分别为0.006D、0.149D。在ζ_b=0.33及ζ_b=1.0的水平循环荷载作用下,50次循环结束后累积旋转角度分别为不同循环荷载比作用下第1次循环累积转角的1.43倍和1.76倍,随着循环次数增加,旋转中心的位置逐渐向上移动,最终稳定在砂面以下0.8L处左右。研究结果可为砂性土地基海上风机吸力桶基础的设计与施工提供理论依据。     

砂土中吸力式沉箱基础的最佳荷载作用点位置模型试验研究

通过一系列模型试验研究了倾斜荷载作用下吸力式沉箱基础的最佳作用点位置,试验中考虑了荷载作用点、荷载作用角度和长径比3个重要因素。基于模型试验得到的荷载-位移曲线,采用合适的破坏标准确定了各工况下吸力式沉箱基础的抗拔承载力,根据承载力的变化规律分析确定了吸力式沉箱基础的最佳作用点位置。结果表明,荷载作用角度对吸力式沉箱基础承载力的影响显著,当荷载水平作用于基础时,其承载力最大。荷载作用点位置对吸力式沉箱基础承载力的影响取决于荷载作用角度的大小,当荷载作用角度较小时,荷载作用点位置的影响显著,且最佳作用点位置位于沉箱高度的2/3～3/4处;当荷载作用角度较大时,荷载作用点位置的影响很小,可以忽略。结合荷载与吸力式沉箱基础的转角关系,分析了荷载水平作用于最佳作用点下吸力式沉箱基础的破坏模式。     

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。     

Fuzzy modeling of holding capacity of offshore suction caisson anchors

A fuzzy algorithm, the Takagi–Sugeno model, is implemented to develop a fuzzy inference system for predicting the holding capacity of suction caisson foundations for offshore platforms. The premise parameters of the fuzzy model are optimized by using a subtractive clustering algorithm. The consequent parameters are optimally determined via a weighted least square estimation. The input variables used for training the fuzzy model include the aspect ratio of the caisson, the undrained shear strength of the clay, and the angle that the chain force forms with the horizontal. The output of the proposed fuzzy model is the capacity of the suction caisson anchor. To demonstrate the effectiveness of the fuzzy modeling framework, the results of extensive finite element analyses are investigated. Comparisons of the trained fuzzy model with the data demonstrate that the proposed modeling framework is an effective method to estimate the holding capacity of offshore suction caisson systems. Moreover, the performance of the fuzzy model is robust against higher levels of input data uncertainties. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

厚垫层-砂桩复合地基现场试验研究

以瓯江北口大桥南锚碇巨型沉井场地地基处理为科研背景,研究厚垫层-砂桩复合地基的适用性及其承载力的影响因素,针对不同的垫层材料、垫层厚度和砂桩间距共进行了9组静载试验。为得到砂桩施工对周围已完成砂桩的影响程度,还进行了砂桩施工相互影响试验。试验结果表明：厚垫层-砂桩加固软土地基效果非常好,是大型沉井地基处理较为理想的方式;垫层含水率、垫层材料和垫层厚度对其承载力的影响程度均大于砂桩间距;砂桩施工过程对周围已完成砂桩的影响和对周围土体的影响具有很大差别,利用传统沉桩挤土理论分析砂桩施工对周围已完成砂桩的影响将产生较大偏差;砂桩施工对周围已完成砂桩会产生较大影响,最大影响范围主要集中在地表以下1/3桩长范围内,影响程度与土层的种类和性质有密切关系,土性越好,影响程度越小;可利用增大砂桩间距和已有砂桩的阻隔效应减小影响程度。