软土中桶型基础水平循环承载力的模型试验

利用真空预压方法制备了一个大尺寸软黏土模型试验土池,进行了不同竖向静荷载与水平循环荷载共同作用下软土中单桶基础承载力的模型试验,研究了竖向静荷载与水平循环荷载对基础承载力的影响。结果表明,基础的水平循环承载力小于静承载力;导致基础破坏的循环荷载与循环次数取决于竖向静荷载。竖向静荷载越大,与同一循环破坏次数对应的循环荷载就越小。依据模型试验土的循环强度变化关系,采用弹塑性有限元计算方法对模型试验进行了数值模拟,计算与试验结果基本吻合,表明可以依据软黏土的循环强度变化关系,通过弹塑性有限元数值计算评价软土地基中桶型基础的水平循环承载力。     

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。     

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。     

黏土中桶式基础的宏单元模拟

本研究旨在对黏土中的桶式基础进行从完整的有限元分析到简化的宏单元的建模。首先通过有限元方法分析了在不同单调组合荷载作用下的黏土中吸力桶基础。为保证模拟结果的可靠性,采用了硬化土模型（HS）对正常固结黏土地基进行模拟。通过对比离心试验验证了使用HS模型的有限元分析的有效性,并通过径向位移试验进一步延伸到V-H-M（竖向力-水平力-弯矩）空间的破坏模式研究,并在此基础上,提出了的V-H-M空间三维破坏包络面公式。接着,应用此三维破坏包络面公式,采用亚塑性框架提出了黏土中桶式基础的宏单元设计模型。通过与试验结果的比较,验证了宏单元模型在模拟单调和循环荷载条件下桶式基础的强度与变形响应的有效性。所提的宏单元模型对于海洋岩土工程设计实践将很有帮助。     

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。     

沈阳浅层粉质黏土承载力与浅基础地基承载力

以沈阳地区28个工程场地的工程地质资料和地基基础承载力资料为依据,采用统计回归的方法,对研究区域内浅层粉质黏土物理力学参数和承载力进行研究。并基于统一强度理论对太沙基理论进行改进,在其基础上建立了沈阳地区浅基础地基承载力经验公式。结果表明:研究区域内浅层粉质黏土物理参数的变异性小、相关性显著,力学参数的变异性相对较大、相关性不显著;浅层粉质黏土地层承载力与标准贯入实验值、旁压实验值以及土工试验参数和塑性指数与静止侧压力系数呈近似线性关系,地层承载力地域性经验公式和改进的太沙基理论基础上建立的沈阳地区浅基础地基承载力经验公式与实际承载力具有较高的符合性。研究成果可为区域性地基基础可靠性设计和承载力的确定提供必要的参考价值。     

软黏土强度非均质性对复合加载模式下桶形基础破坏包络面的作用分析

针对非均质软黏土地基上复合加载模式下桶形基础的破坏包络面,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行了三维非线性数值分析。通过比较系统的数值计算与分析,考察了软黏土非均质性对复合加载模式下桶形基础破坏包络面形状的作用及影响。结果表明：软黏土地基的不排水抗剪强度对于力矩为0的平面内,其应力归一化的破坏包络面影响不大,而在水平荷载与竖向荷载为0的平面内,其应力归一化的破坏包络面具有一定影响。通过与有关模型试验的对比分析,在一定程度上验证了有限元计算模型与数值分析结果的合理性。     

上海浅部硬土分布区静载荷试验结果分析

通过一个工程10组单桩竖向静载荷破坏性试验成果资料分析,探讨了上海西部3~16 m浅部硬土层存在地区单桩竖向极限承载力试桩破坏形式,桩侧极限摩阻力的选用以及沉桩桩身质量保证对试验成果的影响。     

夹硬层土中单桩贯入挤土效应的数值模拟

桩贯入土体产生的挤土效应问题较为复杂。利用ABAQUS软件建立了单桩贯入夹硬层土和均质土的二维轴对称有限元模型,经过分析比较,得出了单桩贯入夹硬层土体所特有的位移场及应力场的变化规律。分析表明：桩贯入夹硬层土过程中,软硬土层交界处土体水平位移变化剧烈;硬土层的存在,会使土体水平及竖向位移受到约束;夹硬层土的水平挤压应力要远大于均质土情况;与水平应力相比,竖向挤压应力在硬土层处明显偏小。     

软-硬自然节理的改进JRC-JCS剪切强度公式

借助三维白光扫描技术和3D打印技术,浇筑了若干块含相同自然节理面、上下盘壁面强度不同的吻合软-硬节理混凝土试块,并对其进行了不同常法向应力下的剪切试验。试验表明,试件的剪胀程度随着节理壁面强度系数λ_(σc)值的增大而增大,剪切强度随着λ_(σc)值的增大而减小。同时,研究表明,对于软-硬节理,在剪切过程中,软-硬节理两侧都发生了破坏,节理的等效壁面强度JCS_(等效)受壁面强度系数λ_(σc)的影响,相对于硬节理侧,较软节理侧对等效壁面强度JCS_(等效)的贡献更大,并且这种趋势随壁面强度系数λ_(σc)的增大而增强,这也是JRC-JCS(节理粗糙系数-节理壁面强度)强度公式预测软-硬节理强度时具有一定局限性的原因。根据以上分析,以较软节理侧的壁面强度JCS软为基准,建立了关于壁面强度系数λ_(σc)的修正关系函数f(λ_(σc))来确定软-硬节理的等效壁面强度JCS_(等效),进而提出了考虑软-硬节理不同壁面强度组合类型的修正JRC-JCS剪切强度公式,该新公式是对现有的JRC-JCS强度公式的完善。     

圆形浅基础承载力计算新模型及验证

通过假定地基发生整体剪切破坏,给出滑动破坏面,考虑地基土的塑性平衡区随着基础埋置深度的不同而扩展到最大可能的程度,并且计及基础两侧土的抗剪强度对承载力的影响,采用极限平衡法,理论上推导出了圆形浅基础承载力。结合工程实例．并利用有限元程序（ADINA）进行数值模拟,进一步验证了浅基础破坏模式的正确性,以及理论推导的可靠性。     

某超浅埋过街通道围岩压力的极限平衡求解方法

为合理地计算某超浅埋矩形断面过街通道初支结构在施工阶段的围岩压力,首先提出了一种有效模拟通道初支过程的有限元方法,利用该数值方法分析了初支结构围岩在承载力极限状态下的破坏模式。基于该破坏模式,建立各围岩滑块的极限平衡方程,求得青岛地区粉质黏土地层中超浅埋初支结构竖向和侧向围岩压力的极限平衡解。最后将该极限平衡解的计算值与实测值进行对比,最大偏差幅度小于9.0%。验证了利用该极限平衡法求解类似工程围岩压力的可行性。     

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。     

软土中浅埋法向承力锚位移破坏标准模型试验

为确定浅埋软黏土中法向承力锚的位移破坏标准,利用实验室自行开发的电动伺服加载控制装置,对埋置在饱和软黏土中深度为3倍锚板宽度、系缆力角度为30°的法向承力锚模型进行了荷载和位移控制的静力加载试验。依据试验结果,以极限承载力与锚板宽度为参考,对锚板法向荷载与位移进行归一化处理,通过归一化曲线确定了法向承力锚的位移破坏标准,即破坏位移约为0.38倍锚板宽度。另外,依据锚板的尺寸、埋深及试验土体的强度条件,利用经验公式对锚的极限承载力进行了计算。结果表明,以该位移破坏标准确定的极限承载力与经验公式计算结果基本一致,两者相差均不超过10%,初步验证了该位移破坏标准的合理性。     

非均质各向异性软基上管桩基础承载力分析

对于非均质各向异性软土地基上管桩基础的承载力,基于塑性极限分析理论考虑软土强度的非均质与各向异性效应,提出了一种改进的三维极限分析上限解法。利用有限元分析软件ABAQUS,采用Hill理想弹塑性模型,对软基上管桩水平承载力进行了数值模拟,由此所得到的破坏模式与极限分析方法中的假设失稳机制基本一致。通过变动参数对比分析,探讨了软黏土不排水抗剪强度的各向异性和非均质性对于管桩基础承载力的影响。     

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。     

硬塑性黏土地层泥水盾构停机引起的地表塌陷机制研究

扬州瘦西湖隧道采用泥水盾构穿越全断面硬塑性黏土地层,施工停机后多次出现地表塌陷事故。利用室内试验研究硬塑性黏土浸水条件下的崩解、软化特性,结合现场实测数据分析该工程地表塌陷的原因,进一步讨论此类破坏发生的过程,据此提出泥水盾构在全断面硬塑性黏土地层施工时地表塌陷的预防措施。研究表明:泥水盾构停机使开挖面硬塑性黏土在泥水浸润下发生崩解、软化,使开挖面上方形成局部孔洞;随着时间延长,局部孔洞逐渐向上发展直至地表,最终形成地面局部塌陷。泥水盾构在硬塑性黏土地层施工时,应当避免停机;当必须停机时,应尽量缩短停机时间,避开建筑地段,同时加强地面监测,必要时应在开挖面上方地层进行注浆加固,防止坍塌破坏。     

考虑地层变异和参数空间变异的浅基础承载力可靠度分析

地层不确定性显著影响浅基础承载力，其不确定性主要包括地层变异和参数空间变异性。以往研究已分别研究了地层变异和参数空间变异性对浅基础承载力的影响。旨在建立浅基础承载力的随机概率计算框架，以揭示地层不确定性对浅基础承载能力的影响。其中，使用马尔可夫随机场模拟地层变异。在此基础上，考虑土体参数竖向相关距离的变化，使用对数正态随机场模拟不同地层中土体参数的空间变异性。基于深圳妈湾的钻孔和土体参数数据，根据所提出的计算框架进行浅基础承载力分析。使用子集模拟方法加速计算各方案的可靠度，提出了缩小系数对计算结果进行不同程度的缩减以达到简化考虑空间变异性的效果。定义了贡献率指标以定量计算地层变异和参数空间变异性对浅基础承载力计算结果的影响。结果表明，如果不考虑地层不确定性，传统确定性的承载力计算会高估浅基础的承载力。当钻孔数量较少时，地层变异对承载力计算起主要影响；当钻孔数量充足时，则由参数空间变异主导。