基于耦合欧拉-拉格朗日法的锚板在黏土中的极限承载力数值分析

当结构在土体中运动时,往往导致土体发生较大的变形,此类问题采用大变形数值分析方法更为恰当。耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian, 简称CEL）法是大变形数值分析方法中的一种,在分析大变形问题时具有很强的适用性,但在国内尚未开展CEL法分析锚板承载力的研究。以方形锚板在均质土及线性土中的拔出试验为原型,基于CEL法建立数值模型,对锚板的极限承载力及破坏机制进行研究,并通过用户自定义子程序,实现了线性土的强度分布随锚板拔出而变化。计算结果表明,土体杨氏模量越大,锚板的极限承载力越大;随着位移增大,锚板的抗拔力先增大,后降低;当埋深小于临界埋深时,土体发生整体破坏;当埋深大于等于临界埋深时,土体发生局部破坏。数值计算反映的规律与试验结果基本吻合,体现了CEL法模拟锚板在海床中大位移响应的出色能力。     

均质黏土中圆形平板锚的抗拉承载力分析

基于网格重新生成和场变量映射的大变形有限元模型,探索了立即脱离和无脱离两种典型条件下均质黏土中圆形平板锚的抗拉承载力。与小变形有限元比较,大变形分析克服了锚周围土体初始网格畸变的不利影响,能够追踪平板锚整个拔出过程中抗拉力的变化。通过具体算例,考察平板锚表面摩擦性质和上覆土重等因素对立即脱离工况承载力的影响程度,指出有重土中深锚的承载力小于无重土中对应的承载力与上覆土重之和,其上限是无脱离条件下的承载力。计算结果表明：土重对无脱离条件下的承载力影响很小,进而给出了无脱离承载力系数与初始埋深的关系曲线。     

基于上限法的条形锚板抗拔承载力分析

以极限分析上限理论为基础,利用旋转块体集的组合来构造条形锚板的运动许可速度场。分析了不排水黏土中深埋和浅埋条形锚板的抗拔承载力上限解,研究了锚板在不同埋置倾角和深度条件下的抗拔承载力和破坏面的特性,并将计算结果与已有计算方法进行了对比。分析结果表明：在不排水黏土中深埋条形锚板抗拔承载力与锚板的埋置方位和锚板的粗糙度无关,但完全光滑条件下破坏面扇圆部分的半径只有完全粗糙条件下的一半;在考虑无重土情况下浅埋条形锚板的抗拔承载力系数随锚板埋深比的增大而增大,破坏面也随埋深比的增加而逐渐扩大。所得上限解与已有文献解答较为吻合,而且求解所得破坏面更为直观,能为工程设计提供参考依据。     

正常固结黏土中平板锚基础的吸力和抗拉力

平板锚是新近出现的一种系泊深海浮式结构的基础型式。当黏土地基中的平板锚承受上拔力时,平板上、下表面超静孔压差形成的吸力使其抗拉承载力显著增加,对于风浪等快速加载条件尤其如此。利用有限元软件ADINA建立有效应力形式的轴对称动力有限元模型,研究圆形平板锚在缓慢加载与快速加载时的超静孔压分布与地基破坏型式。快速加载时重黏土和高岭土两组典型正常固结土样所得极限承载力系数与塑性极限分析解一致。进而通过变动参数分析,讨论加载速率和埋深对吸力和总抗拉力极限值的影响,并给出排水和不排水加载条件对应的临界加载速率。结果表明,不排水加载条件的总抗拉力可能达到排水总抗拉力的3倍。     

方形平板锚抗拉承载力的大变形有限元分析

基于网格重分和改进的REP应力恢复技术,建立了三维大变形有限元方法研究拉力作用下方形平板锚与黏性土地基的相互作用。与常规的小变形有限元不同,大变形分析能够完整模拟平板锚的上拔过程,如果平板锚底面与土体始终保持接触,三维大变形计算得到的方板与圆板抗拉力相差很小;在无重土中的平板在加载初始即与土体脱离时,方板的承载力略低于圆板。大变形分析给出的立即脱离承载力系数与模型试验数据基本吻合,而小变形有限元与下限分析忽略了方形平板锚的长距离上拔过程对其抗拉力的影响,可能高估深锚的承载力。改进估计方形平板锚抗拉承载力的简化方法,方便于工程应用。     

基于Hill稳定条件的条形锚板抗拔承载力研究

基于虚功原理的Hill稳定条件可较为明确地判定岩土材料的局部稳定性和整体稳定性：当地基系统的局部二阶功小于0时,材料点局部潜在失稳;当地基的整体二阶功小于0时,地基系统达到极限状态,整体潜在失稳。对ABAQUS进行了二次开发,使Hill稳定条件与有限元法相结合,求解胶结钙质土地基中条形锚板的抗拔承载力。研究结果表明,对于条形锚板在摩擦型岩土材料中的抗拔承载力问题,采用有限元方法结合Hill稳定条件,能较好地预测地基失稳范围和潜在失稳区域,失稳判据明确,易于确定极限荷载,并能较为准确地描述锚板的承载力系数及其随埋深的变化规律。利用有限元法结合Hill稳定条件求解承载力问题的思路和方法是有效和可行的,有明确的物理意义和力学理论基础,应用方便,值得进一步研究、推广并应用于较为复杂的岩土工程问题。     

循环荷载频率对黏土中吸力锚承载力影响的模型试验研究

为了研究循环荷载频率变化对吸力锚承载力的影响,进行了不同频率循环荷载作用下,张紧式吸力锚在最佳系泊点受静荷载与循环荷载共同作用时的承载力模型试验。结果表明,当循环荷载与静荷载加载方向相同时,尽管循环荷载频率不同,但锚的破坏模式与静荷载作用下锚的破坏模式一致,均为竖向拔出;荷载循环频率的变化对锚的循环平均位移有一定影响,在循环荷载开始作用阶段,随循环频率增大,循环平均位移逐渐减小,随荷载循环次数增加,循环频率对循环平均位移影响逐渐减弱;荷载循环频率改变会对锚的循环承载力产生影响,当荷载循环频率从0.1 Hz减小至0.01 Hz时,若循环破坏次数为100,循环承载力降低8%左右;若循环破坏次数为1 000,循环承载力降低4%左右;当循环破坏次数达到2 000时,循环承载力仅降低1%左右,此时可忽略循环荷载频率的变化对承载力的影响。     

软黏土中吸力锚循环失稳过程的模型试验

开展了张紧式吸力锚在侧壁最优系泊点处遭受平均荷载和循环荷载共同作用下的模型试验,着重研究了软黏土中吸力锚在等幅及变幅循环荷载下的变形失稳过程。研究发现,循环累积位移过大是锚发生破坏的主要原因。对于等幅循环加载试验,由于竖向附加荷重的施加,锚在水平向的循环累积位移要明显大于竖向,表现为明显的水平破坏模式。在特定的平均荷载水平下,循环荷载水平越高,锚的累积位移发展得越快,达到破坏所需的循环次数就越少。循环位移随循环次数的增长变化不明显,但随循环荷载水平的增大而增大。对于变幅循环加载试验,系泊点各方向的循环累积位移与循环位移均与循环荷载水平成正比。不同的循环加载时程下,锚的竖向累积位移均比水平累积位移大,表现为偏向于竖向破坏的中间破坏模式。锚前期的循环加载历史对后续加载产生的累积变形有明显影响。与静力加载相比,循环加载时锚的运动方向角有所增大,这可能是由于锚底孔压的累积要大于锚侧孔压的累积,从有效应力的角度分析,锚底有效应力的减少相对锚侧明显,进而使得锚竖向承载力减小得更多,导致锚的竖向运动更明显。     

饱和黏土中固定锚腚拖曳锚嵌入轨迹预测模型

饱和黏土中固定锚腚拖曳锚的嵌入轨迹和承载力预测是深水系泊系统设计的关键。从固定锚腚拖曳锚在饱和黏土海床嵌土的初始状态出发,将固定锚腚拖曳锚和周围土体视作宏单元,假设在锚链拉力作用下宏单元沿土体屈服面法向运动,利用锚链方程计算锚眼拉力,基于增量迭代法建立了预测固定锚腚拖曳锚嵌入运动轨迹和锚眼拉力的模型,编制了相应的计算程序。利用程序预测了Bruce Dennla MK4固定锚腚拖曳锚、Murff算例拖曳锚在饱和黏土中的运动轨迹和承载力,结果表明：本文所建立的模型预测结果正确,可以用于预测固定锚腚拖曳锚嵌入饱和黏土全过程中板锚的运动轨迹、运动形态和锚眼拉力;固定锚腚拖曳锚嵌入过程中,锚运动形态有一个调整过程,因此,旋转角先减小,而后增加,并逐渐趋于稳定值。     

基于DIC技术的砂土中圆形锚板上拔土体变形特性试验研究

针对福建标准砂,采用非接触式数字图像相关技术(digital image correlation, DIC),通过一系列室内模型试验研究了圆形锚板上拔时锚周土体的变形特性,重点分析了盘径、埋深比和砂土相对密实度的影响。试验结果表明,随着盘径的增加,同一埋深比条件下,上拔力峰值和出现上拔力峰值时的位移水平均明显增大,而上拔承载力系数N_γ则随着盘径的增加而减小,但盘径变化不影响上拔时锚周土体位移影响区的形状,且以上规律不受砂土相对密实度变化的影响。对于密砂,锚周土体位移影响区形状随着埋深比的增加由倒梯形向U字形发展,土体剪切破坏面为沿锚板边缘向外侧斜上方演进的直线型破坏面,且与竖直方向的夹角约为1/4φ_p(φ_p为土的峰值摩擦角);随着锚板的上拔,锚板上方土体出现较为明显的体积膨胀。对于松砂,随着埋深比的增加,锚周土体位移影响区形状由延伸至土体表面的矩形向内置于土体的贝壳形发展;浅埋时,土体剪切破坏面沿锚板边缘垂直向土体表面开展;深埋时,土体剪切破坏面沿锚板边缘向内侧斜上方发展,与水平方向的夹角约为45°+1/2φ_p...     

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。     

非完全粗糙平板锚旋转安装过程中的丢失埋深研究

吸力贯入平板锚被用于系泊深海浮式结构,实际应用中必须预估平板锚旋转安装过程中的丢失埋深。采用大变形有限元方法探索非完全粗糙平板锚在正常固结黏土中的旋转过程。大变形有限元法通过网格重剖避免平板锚大幅值平动和转动引起的土体单元扭曲。根据平板锚旋转到达的埋深,实时更新“锚-土”界面上的摩擦剪切强度。将数值模拟结果与离心机模型试验进行对比验证,表明高岭土中平板锚表面的粗糙系数约为0.3。平板锚丢失埋深随粗糙系数的减小而增大,但粗糙系数对丢失埋深的影响受平板锚厚度比和拉力偏心比的耦合作用。厚度比和偏心比越小,粗糙系数对丢失埋深的影响越显著。     

Pullout resistance of single vertical shallow helical and plate anchors in sand

This paper presents analytical models to predict the pullout capacity and the load–displacement relationship for shallow single vertical helical and plate anchors in sand. The models were developed based on the failure mechanism deduced from laboratory testing and utilize the limit equilibrium technique. Expression was given to estimate the critical depth for a given anchor/soil conditions, which separates deep from shallow anchors. Furthermore, the radius of influence of a individual anchor on the ground surface is established, and accordingly, the spacing between anchors can be determined to avoid anchors interactions between anchors. The proposed theory compared well with the theories and the experimental data available in the literature.

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Résumé Cet article présente un model analytique pour prédire la résistance à l’arrachement et la relation charge-diplacement pour les ancrages à vis et plats verticaux superficiels ancrés dans le sable. Le model est basé sur le mécanisme de rupture déduit des essais de laboratoire et utilise la méthode d’analyse à l’équilibre limite. En outre, une expression a été proposé pour éstimer la profondeur critique pour un ancrage donné permettant d’identifier l’ancrage comme superficiel ou profond. Le rayon d’influence d’un ancrage à la surface du sable autour de l’ancrage a été établi, et par conséquent, l’espacement entre ancrages peut être déterminer pour éviter toute interaction. La théorie proposée montre une bonne concordance avec des résultats theoriques et expérimentaux rapports dans la literature.

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Three-dimensional numerical analysis of the keying of vertically installed plate anchors in clay

Plate anchors, such as suction embedded plate anchors and vertically driven plate anchors, offer economically attractive anchoring solutions for deep/ultra-deep water offshore developments. The rotation/keying processes of plate anchors will cause embedment losses, which lead to decreases of the uplift resistances of the anchors in normally consolidated soil. In the present paper, the keying processes of vertically installed strip and square plate anchors are simulated using the 3-D large deformation finite element method. The effects of loading eccentricity and pullout angle on the embedment loss during keying are investigated. Both the development of the uplift resistance and the soil flow mechanisms are presented. The numerical results show that the loading eccentricity e/B has a much larger effect on the embedment loss than the pullout angle does. The anchor shape has a minimal effect on the loss in anchor embedment. The shape factors (square/strip) are 1.05–1.09 for loss of embedment and 1.10–1.19 for capacity.     

Effect of shape on holding capacity of plate anchors buried in soft soil

Plate anchor is one of the most common varieties of anchors used in the construction and maintenance work of various on-land and offshore structures. An accurate estimation of the uplift capacity of anchor foundations is necessary for an economical design as well as for the safety and stability of structures. This paper outlines the effect of shape of anchor plates on their breakout capacity, through a series of model tests. Both shallow and deep anchor behaviours were investigated under conditions developing suction force and without suction force. The results of these tests are presented in terms of load-displacement behaviour, variation of breakout factors (with and without suction force) with depth of embedment, the critical embedment depth of anchors and variation of suction force with embedment ratio. Further, the variations of breakout factor ratio with aspect ratio and embedment ratio are reported. Based on the experimental results and the model test results of other investigators an empirical relationship has been suggested to determine the shape factor and holding capacity of plate anchors buried in saturated cohesive soils.     

砂土中群锚锚周土体变形特性模型试验研究

群锚是常见的基础形式应用较为广泛,由于群锚之间的相互作用,群锚上拔过程中锚周土体的变形破坏机制比较复杂。采用非接触式数字图像相关方法（DIC）对群锚上拔过程开展模型试验研究,分析了群锚上拔过程中上拔力-位移关系曲线特征和锚周土体变形破坏机制。试验结果表明,密实度和埋深对群锚上拔力-位移关系曲线特征具有显著影响,在相同密实度、相同埋深率下浅埋与深埋群锚与同条件下的单锚具有相似的上拔力-位移关系曲线特征;群锚抗拔承载力具有明显的叠加效应,且砂土密实度、埋深和锚间距等参数因素对群锚效应具有显著影响。通过变形场的研究,得出了砂土密实度、埋深以及锚间距对群锚效应的影响规律。     

结构性粘土研究进展

通过对结构性粘土的研究,可以掌握天然土受荷过程中的变形破坏过程,从而为考虑土结构性的结构物的设计、地基加固等提供依据。近年来随着高、深和大型建筑的兴建,结构性粘土的研究变得尤为重要。从结构性粘土的微观变形机理、结构性土样的制备、土工特性和数学模型等几个方面,介绍了国内外学者的研究进展,认为进行原位测试、结构性土样的制备及细观结构参数的量测方法、考虑细观结构的数值方法和建立考虑微观变形机理的宏观本构模型是进行结构性土研究的发展方向。