吸力式沉箱底部土体循环特性及其等效循环蠕变模型研究

吸力式沉箱基础作为张力腿平台(TLP)的锚固基础,其底部土体不仅存在轴向卸荷作用,而且还存在循环荷载作用。现有研究很少涉及在卸荷条件下进行的软黏土循环累积变形研究。因此,通过循环三轴试验研究了轴向卸荷条件下软黏土的应变累积变形及应变软化特性。试验结果表明:在低静偏应力以及动偏应力条件下,土体应变累积及软化程度较低;随着动偏应力增加,循环累积变形逐渐变大且前期发展较快后期趋于稳定,同时应变软化程度逐渐增大;土体循环累积变形随动偏应力提高而增大,其循环累积应变曲线呈衰减-稳定的蠕变特性。在试验基础上,提出与静偏应力和动偏应力有关的软化系数公式。构建了考虑软化系数与静偏应力、动偏应力等条件下软黏土等效循环蠕变模型。将该模型推广至三维,并开发了有限元子程序。建立了循环荷载作用下吸力式沉箱基础循环抗拔承载力有限元分析法,将其用于吸力式沉箱基础循环累积变形分析中,并与沉箱模型循环试验结果进行了对比验证。     

软黏土中吸力式沉箱基础竖向抗拔承载特性试验研究

吸力式沉箱基础可以作为张力腿平台(TLP)的锚固基础,主要受上拔荷载作用,其抗拔破坏模式是分析吸力式沉箱基础抗拔承载力关键,目前对吸力式沉箱基础竖向抗拔承载机制研究尚不够深入。通过一系列室内模型试验,研究软黏土中吸力式沉箱基础抗拔承载特性,给出吸力式沉箱基础两种破坏模式,即顶部张力破坏模式和底部张力破坏模式。试验结果表明,顶部张力破坏模式时沉箱顶部负压与底部负压接近相等,承载力随沉箱顶部负压增大而增大,沉箱抗拔承载力由沉箱自重、内外摩擦力与沉箱顶部反力组成;当形成底部张力破坏模式时沉箱承载力随沉箱底部负压增大而增大,沉箱抗拔承载力由沉箱和土塞自重、外摩擦力以及底部反力组成;当达到极限荷载时沉箱顶部及底部负压均小于不排水剪切强度Su,沉箱顶部与底部反向承载力系数均小于1.0。最后提出考虑沉箱内顶部负压作用下吸力式沉箱基础抗拔承载力计算方法,揭示了软黏土中吸力式沉箱基础抗拔承载机制,为吸力式沉箱基础抗拔承载力分析以及工程设计提供参考。     

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。     

考虑卸荷扰动的黏土蠕变特性试验研究

盾构施工过程中,由于盾尾建筑空隙的存在,土体会受到较大的卸荷扰动,尤其是对于结构性较强的黏土。通过卸荷拉力来模拟土体受到的卸荷扰动,进行排水剪切蠕变试验。试验结果表明：卸荷拉力越大,土体的扰动程度增大,同级荷载作用下土样的变形越大,且加载压力较小时土样的变形属于稳定型蠕变,蠕变速率随着卸荷拉力的增大而增大,加载压力较大时土样的变形属于衰减型蠕变;与Singh-Mitchell蠕变模型进行比较,发现卸荷拉力较小土样Singh-Mitchell蠕变模型的计算值与试验值相比吻合较好,但当卸荷拉力较大时,模型计算值与实验值相比有较大的误差;修正了Singh-Mitchell蠕变模型的参数,提出考虑卸荷扰动的修正Singh-Mitchell蠕变模型,计算结果与试验数据在加载压力和卸荷拉力较大时吻合较好,对工程实际有一定的指导意义。     

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。     

膨胀土卸荷蠕变特性及其非线性蠕变模型

鉴于膨胀土滑坡往往表现为长期性、渐进性等与时间相关的特性,利用GDS应力路径三轴仪对膨胀土进行了三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：当偏应力较小时,膨胀土的蠕变曲线仅出现瞬时变形和衰减蠕变;当偏应力达到一定值时,其蠕变曲线也呈现衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段,但其加速蠕变阶段的特征与一般岩土体不同,其蠕变速度近乎常数。膨胀土的应力?应变等时曲线显示,膨胀土卸荷蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平相关,蠕变时间越长、应力水平越高,其非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性四元件蠕变模型,将标准线性体与一个非线性黏壶串联,该模型可描述等围压三轴压缩应力状态下膨胀土轴向应变随时间的演变规律。根据膨胀土卸荷蠕变试验结果,采用曲线拟合法对三维非线性模型的参数进行反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,说明该模型可以很好地描述膨胀土的蠕变特性。此外,基于该蠕变模型获取了膨胀土的临界破坏应力,其与常规剪切破坏应力的比值随着固结压力的减小而减小,表明越接近坡面的土层越容易发生蠕变破坏。     

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。     

软黏土中伞式吸力锚基础水平承载有限元分析

伞式吸力锚基础(USAF)是传统吸力锚基础的改进型,其独特的结构型式在海洋岩土工程中具有更大的发展潜力。预先通过室内小尺度模型确定了USAF水平承载的位移控制标准,继而对软黏土中不同加载高度下USAF承载规律及地基土变形特性进行有限元分析,并对波浪循环荷载作用下的海床土应力折减效应进行了阐述。结果表明:随水平荷载加载高度升高,USAF的转动中心上移,海床土的应力扩散深度加深。"锚枝"和"筒裙"的增加使主筒侧壁土抗力发生应力重分布,锚前上部和锚后底端土体为USAF承载力的核心控制区。黏质海床超静孔隙水压力的累积对USAF土抗力的发挥影响显著,进而降低整个结构的水平承载能力。上述研究成果对完善USAF在海洋岩土工程中的应用具有重要意义。     

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。     

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%。     

加卸荷条件下饱和软黏土蠕变特性试验研究

为了研究上海软黏土的蠕变力学特性,开展了排水和不排水条件下上海软黏土的三轴蠕变力学试验,分析了不同围压水平、加卸荷水平对饱和软黏土蠕变特性的影响,得到了不同试验条件下上海软黏土蠕变的力学特性。试验结果表明:围压水平及加卸荷水平对软黏土蠕变变形有一定影响;土体蠕变变形特性与排水条件密切相关,排水条件下,固结效应削弱了土体蠕变现象;同等条件加载过程中不排水条件下土体变形量大,卸载后不排水条件下土体回弹较明显;不排水蠕变试验加载过程中,孔隙水压力随时间发展的变化规律与土体蠕变变形规律相似;排水蠕变试验加载过程中,固结变形和蠕变变形同时存在,排水量曲线在卸载后没有出现明显下降。     

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。     

软黏土蠕变试验及其经验模型研究

针对湖南竹城公路路基软土开展了系统的三轴固结不排水蠕变试验,得到不同围压、不同应力加载等级下的全过程蠕变曲线。进而通过“陈氏加载法”得到分别加载下蠕变曲线和应力-应变等时曲线。以围压100 kPa为例,得出应力-应变关系采用幂函数,而应变-时间关系采用双曲线关系的蠕变方程。对比分析表明,该蠕变方程较Singh-Mitchell模型、Mesri模型更适应试验数据,能够更好地反映和预测该软土的蠕变特性。     

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。     

刚性伞式吸力锚基础（USAF）地基海床土变形拟静力数值分析

介绍了海上风机新型伞式吸力锚基础（USAF）的结构优势与工作特性,构建了USAF基础有限元模型,通过水平拟静力法数值模拟,重点分析了USAF基础锚体地基海床土的受力变形规律,土体的失效破坏模式,最大剪应力区和锚体的转动中心。最后,将USAF基础与常规单筒吸力锚基础承载模型进行比较,结果表明,伞式吸力锚基础（USAF）具有明显的水平承载优势,伞式吸力锚基础（USAF）在海上风电工程中应用前景广阔。     

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。     

扩径率与入岩深度对岩基挖孔基础抗拔承载特性影响的试验研究

扩径率和入岩深度是影响岩基挖孔基础抗拔承载特性的两个重要因素。通过开展8个不同扩径率、不同入岩深度挖孔基础的现场真型上拔静载试验,从荷载位移变化规律、抗拔承载力和地基岩体破坏模式三方面分析了扩径率与入岩深度对基础抗拔承载特性的影响,结果表明扩径率对荷载位移曲线初始线性阶段影响显著。采用图解法分别获得代表基础低、中、高3种承载能力的抗拔承载力QL1、QDLI、QL2,分析表明,随着扩径率与入岩深度的增加,基础抗拔承载力均有不同程度提高,但两种因素对基础承载力影响机制不同,扩径率可明显提高初始弹性阶段的承载力QL1,而入岩深度可明显提高塑性阶段的承载力QDLI和QL2。通过分析地基破坏时地表岩体裂缝的分布特征,得出岩基中上拔岩体的破坏模式与基础结构型式无关,均是从基底开始出现裂缝,沿着一定角度的开口延伸至地面,直至地基发生破坏,并且破坏范围随着入岩深度的增加而减小。综合考虑基础施工安全性、经济性和机械化程度,建议优先选择加深入岩深度的措施来提高基础抗拔承载力。