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。     

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。     

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。     

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。     

力矩与水平荷载联合作用下裙板式基础破坏包络面研究

联合采用swipe加载模式、固定位移比与固定荷载比加载模式,对于裙板式浅基础在水平荷载与力矩荷载的复合加载条件下的承载性能进行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于基础破坏包络面的影响,揭示了地基在水平和力矩荷载的不同组合条件下的失稳破坏机制。同时,对于两种swipe加载模式的有效性进行了比较。计算结果表明：对于非均质土,当裙板式基础埋深与宽度之比大于0.3时,破坏包络面产生正方向倾斜;当埋深与宽度之比小于0.3时,基础的破坏包络面出现负方向倾斜。而在均质土中,基础的破坏包络面没有出现负方向倾斜。     

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。     

复合加载情况下双层地基极限承载力研究

在复合加载情况下精确求解层状非均质地基的极限承载力,具有很强的工程实用与理论参考价值。基于土体极限平衡理论与通用有限元软件ABAQUS,针对复合加载情况下上硬下软的双层不排水饱和软黏土地基的极限承载力,进行了大量的数值计算,得出了上层土临界深度Hcr的计算公式、竖向极限承载力Pv的计算公式以及复合加载情况下地基破坏时的破坏包络面方程。研究结果表明：上层土临界深度Hcr取决于土层间强度比Su1/Su2;竖向极限承载力Pv与破坏包络面取决于土层间强度比Su1/Su2、上层土深度H1与基础型式。     

复合加载模式下单桩复合筒型基础地基承载力包络线研究

海上风力发电机属于高耸结构物,其地基基础不仅要承受上部结构传递的竖向荷载V、水平荷载H,更要抵抗巨大的弯矩荷载M。单桩复合筒型基础是新型的海上风力发电机基础型式,建立复合加载模式下单桩复合筒型基础地基的破坏包络线,并据此评价其稳定性是地基基础设计的重要手段。在Swipe加载方法和固定位移比加载方法的基础上,通过数值分析研究了不排水饱和软黏土中单桩复合筒型基础在V-H、V-M、H-M和V-H-M加载模式下的地基承载力包络线,开展了室内模型试验,验证了数值分析结果的可靠性。研究表明,V-H和V-M加载模式下地基承载力包络线具有对称性,而H-M加载模式下呈非对称性;V-H-M加载模式下地基承载力包络线的形状受弯矩荷载M的影响显著,表现为随着弯矩荷载的增加,V-H平面内的破坏包络线逐渐缩小。实际工程中,可根据受力状态与破坏包络面的相对关系,评价单桩复合筒型基础的稳定性。     

复合加载情况下非均质地基上条形基础的极限承载力研究

复合加载情况下精确求解非均质地基上条形基础的极限承载力以及评价影响极限承载力的相关因素,具有很强的工程实用与理论参考价值。基于极限平衡原理,在Mohr-Coulomb破坏准则的基础上,将非均质地基上条形基础极限承载力问题等价为一个边界待定的泛函极值问题。利用变分原理得到与平衡方程相等价的积分约束条件以及相应的欧拉方程与横截条件。引入问题边界条件,利用VC++6.0编制了数值计算程序,求得了复合加载情况下非均质地基破坏时的滑裂面函数与破坏包络曲线。从理论上研究了土体内摩擦角、土体黏聚力、土层强度比与地下水位变化等因素对地基破坏包络曲线的影响。研究结果表明,其解答是地基极限承载力真实解的某一最小上限。     

非均质地基中平面应变隧道开挖面稳定上限分析

非均质是软黏土地基中比较普遍的现象,而目前隧道开挖面稳定研究中比较成熟的理论主要是针对均质土体。因此,从塑性极限分析上限法的基本原理出发,采用平面应变隧道刚体平动破坏模式(多块体上限法),考虑软黏土地基的非均质性,推导了平面应变隧道极限支护压力关于隧道埋深、土体重度及土体强度的上限公式。通过与其他方法的比较分析,证明了极限分析方法在隧道开挖面稳定性方面的可行性;利用该方法的计算结果详细探讨了隧道开挖面稳定的影响因素;而且由计算结果可知,地基土的非均质性在影响隧道开挖面极限支护压力的同时,也影响着隧道开挖破坏面的位置和形状,为工程实践提供重要的理论依据。     

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。     

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.     

结构性海洋黏土损伤模型的二次开发及应用

原状土的结构性作为21世纪土力学的核心问题,一直以来受到学者们的广泛关注。软黏土的结构性损伤这一力学行为会对海洋结构物基础造成不可忽略的影响。以海底原状土的结构性特征为研究对象,推导了考虑黏土结构性的SANICLAY模型的数值实现格式。通过子增量步显式算法和有限元的二次开发,实现了结构性多屈服面本构模型在有限元方法中的应用。通过与不同应力路径下的三轴试验结果对比,验证了开发的子程序可准确模拟海洋黏土所具有的结构性。基于不同应力路径试验的数值模拟结果,研究了不同固结和剪切条件下土体塑性势面和屈服面的演化规律,揭示了土体固结可降低结构性损伤程度以及剪切过程中土体产生结构性损伤的机制。将二次开发的子程序应用到具体的边值问题中,开展了可考虑土体结构性影响的海上风电筒型基础静承载力研究,揭示了土体结构性对筒型基础的地基破坏模式、峰值承载力和残余承载力的影响;引入残余衰减比来表征土体结构性破坏后筒型基础的残余承载力,并建立了残余衰减比与结构损伤因子之间的关系。     

软土地基桶形基础循环累积变形研究

针对软土地基桶形基础在循环荷载作用下的变形问题进行研究。首先, 通过桶形基础循环模型试验获得在动、静荷载作用下地基的破坏特性。然后,从模型土池中取土样,进行不固结不排水（UU）循环三轴试验,测其循环累积应变特性,建立了累积应变与其相关因素间的关系。最后,采用有限元的方法模拟模型试验,将循环累积变形等效为蠕变,在理想弹塑性的基础上加入蠕变来计算循环荷载作用下桶形基础的变形,并与模型试验结果进行比较。结果表明,软土地基桶形基础在循环荷载作用下的变形与静力下的蠕变有相似的特点,桶形基础循环累积变形可以用等效为蠕变的方法计算。     

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.