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。     

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。     

砂土中桶形基础吸力值的设定范围

吸力桶形基础沉贯与所施加的吸力密切相关,吸力值设置太小会导致吸力基础沉贯速度过慢,施工效益降低;吸力值设置太大将产生较高的桶内土塞,吸力基础下沉不到预定位置,从而使其承载力达不到设计要求,或引起砂土地基产生管涌破坏,因此必须确定合理的吸力值以满足工程建设需要。通过吸力桶形基础的静力平衡条件获得了沉贯所需最小吸力值;根据桶壁底部土体破坏特性,并依据Hencky应力方程建立了桶壁内、外侧土体之间的有效应力表达式,求解了土塞加速上升时的临界吸力值;基于吸力桶形基础内部砂土的管涌破坏机制确定了最大吸力值,结合最大和最小吸力的理论公式得到了吸力桶形基础的最大沉贯深度。最后,采用实例数据验证了所提出的最小、临界和最大吸力理论公式的合理性。     

桩-桶基础抗拔承载力分析

根据新型基础一桩-桶基础在上拔荷载作用下的颗粒流模拟试验结果,分析了桩桶基础在上拔荷载作用下土体的破坏过程,并对颗粒流模拟试验的颗粒的破坏面进行拟合,提出桩桶基础的上拔承载力计算模式。桩-桶基础的极限上拔承载力由破坏土体侧表面抗剪强度在竖直方向投影的集合及其包围土体土重和桩-桶基础自重组成,建立了桩-桶基础的上拔承载力计算公式,分析了上拔承载力影响因素。     

吸力强度修正对数模型在地基承载力中的应用

为准确反映非饱和土体中吸力对抗剪强度的影响规律,提出了吸力强度修正对数模型。与国内外试验结果相此,发现该模型在低吸力范围内与以往的模型有很好的同一性,而在高吸力范围内有着更大的优越性。该模型中各参数物理意义更为明确,与土-水特征曲线的特征值的关系更为紧密,通过引入参数b能更好地模拟具有不同特征残余值的土体。把该修正对数模型引入到地基承载力的分析中,发现饱和度对地基承载力的影响显著,吸力的存在能大大地提高承载力,并且饱和度越低,递增的速率也越大。     

层状地基静压桩贯入过程机理试验

通过在多层软粘土地基中静力压入单桩的室内模型试验,对模型桩在整个沉桩过程中压桩力、桩动端阻力及桩动侧阻力随桩贯入深度的变化情况进行了研究,获得了桩在贯入不同土层分界面时阻力的变化规律以及桩周土体应力的分布特征。并对开口管桩和闭口管桩贯入试验情况进行了比较分析,揭示了不同桩端形式桩在贯入过程中桩动侧摩阻力的发展规律,以及分层土体中开口管桩贯入过程中土塞的变化情况。试验结果表明：在粘性土中沉桩时,压桩阻力主要来自桩端向下穿越土体产生的端阻力,而侧摩阻力较小;由于桩侧水平应力的释放使得同一深度点上的动摩阻力随着桩的下沉表现出不同程度的降低,出现摩擦疲劳。     

灌注桩桩土相互作用试验及有限元模拟研究

以灌注桩桩土相互作用的原位试验为基础, 结合西安土层结构、性质; 采用有限单元法对黄土地区的砼灌注桩桩土相互作用进行仿真模拟, 研究了桩土相互作用、荷载的传递规律、桩土相对位移与桩侧摩阻力的关系。通过桩载试验资料对比, 得出三维有限单元法的模拟结果与实测值相近, 该研究进一步揭示了桩土相互作用的实质, 为最优桩长的选取和单桩承载力的确定奠定了基础。     

静压沉桩与CPTU贯入离心模型试验及机制研究

为了探究静压沉桩与CPTU贯入力学机制,开展了饱和黏土中静压沉桩及CPTU贯入的离心模型试验,获得了静压沉桩与CPTU贯入过程中土压力、超孔压和贯入阻力的变化规律。同时,将静压桩和CPTU压入过程视为一系列球孔的连续贯入,应用圆孔扩张解答,建立了静压沉桩和CPTU贯入过程中锥头阻力、侧阻力与超孔压的预测方法。通过离心模型试验和理论预测结果的对比分析表明：随着桩体的压入,桩周土体的超孔压和土压力均逐渐增大,当桩头通过监测点时,超孔压与土压力均达到最大值;在饱和黏土中,CPTU锥头阻力、锥侧摩阻力和锥头超孔压与锥头贯入深度总体上呈线性关系。预测方法估算沉桩和CPTU贯入引起的土压力、超孔压与模型试验结果相符,较好地反映了饱和黏土中静压沉桩和CPTU贯入的力学机制。     

考虑固结的透水管桩沉桩全过程有限元模拟

运用透水管桩技术加快沉桩后桩周土体内超静孔隙水释放,进而消除沉桩施工中超静孔压的不利影响。基于有限元数值计算法,利用ABAQUS有限元软件建立透水管桩模型,实现透水管桩贯入过程以及桩周土体固结过程模拟。对比CEM圆柱孔扩张理论验证数值计算结果;阐述透水管桩贯入过程中位移场以及超静孔压场变化规律;对比分析静压桩和透水管桩桩周土体固结性状,结果表明透水管桩能加速超静孔压消散,短期内实现桩基承载力的快速提升。     

新型深水系泊基础研究进展

介绍了几种国际上广泛应用于深水锚泊的新型系泊基础（吸力锚、法向承力锚、吸力式贯入锚和动力贯入锚）,并结合国内外的最新研究进展,分别针对吸力锚安装过程中的海床阻力和内部土塞发展、服役阶段的承载力特性,法向承力锚安装时的拖曳轨迹和三维受力状态下的承载力,吸力式贯入锚的“keying”过程,动力贯入锚的最终安装深度和承载力,以及锚泊线与海床的接触问题等当前国际上研究的重点和热点内容进行了简要地评述,旨在通过分析当前新型深水锚在设计、施工以及承载机制等方面的不足,以探索深水系泊基础发展的新趋势     

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。     

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。     

Bearing capacity of strip foundations with structural skirts

A modified bearing capacity equation is proposed for skirted strip foundations on dense sand. A series of tests on foundation models were carried out to study the factors that affect the bearing capacity of foundations with skirts. Several factors including foundation base friction, skirt depth, skirt side roughness, skirt stiffness and soil compressibility were studied and incorporated in the equation. The results obtained from the proposed equation were compared with the results obtained from Terzaghi, Meyerhof, Hansen and Vesic bearing capacity equations for foundations without skirt. Comparison shows that the use of structural skirts can improve the bearing capacity by a factor of 1.5 to 3.9 depending on the geometrical and structural properties of the skirts and foundation, soil characteristics and interface conditions of the soil-skirt-foundation system. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

水平荷载作用下根式基础受力特性分析

根式基础是一种新型的结构式基础,利用自身的结构性,可以在增加少量成本的情况下大幅度提高基础的承载力。但是,目前还没有关于根式基础的理论研究成果,有必要对根式基础的受力特性进行分析。采用弹塑性有限元法,对淮河特大桥1#桥的根式基础原位试验进行数值模拟,验证了数值模拟方法和参数选取的合理性。在此基础上,通过无根键沉井基础和有根键沉井基础的受力特性对比,分析了根式基础的受力特性,对根键上的弯矩分布型式进行了研究,并探讨了根键沿深度位置分布对根式基础承载力的影响。研究证明,根键分布在合理的位置可以有效地提高沉井基础的水平承载力。     

Numerical modelling of a hybrid skirted foundation under combined loading

Offshore foundations are subject to combinations of vertical, horizontal and moment (VHM) loading. Different foundation solutions are appropriate, depending amongst others, on the expected load combinations. This paper investigates in detail the soil failure mechanisms and resulting foundation capacity under undrained VHM loading of a hybrid foundation concept. Comprising of a skirted mat combined with an internal caisson compartment, this foundation design is found to provide significantly increased horizontal capacity that is often critical in offshore applications, with key influences for increased moment capacity identified as well. The numerical study investigated both variations in the geometry of the internal caisson compartment and the soil shear strength profile. The paper concludes by proposing expressions that allow slightly conservative prediction of the combined capacity of a hybrid foundation.     

复合加载下软基上半圆堤结构稳定性分析

半圆堤是适用于软土地基的一种轻型重力式的新型防波堤结构,复合加载模式下软基上半圆堤的稳定性计算和结构破坏模式尚需建立合理的分析和计算方法。将加载模式与软基上大型海岸结构稳定性分析的有限元模拟方法相结合,同时考虑半圆堤在不同荷载组合时可能发生沿底板或抛石基床底部的滑动破坏及地基竖向承载力破坏,建立了复合加载模式下软基上半圆堤的稳定性分析方法,得出了结构的稳定性破坏模式和破坏包络线（面）,并分析了箱内填砂量、抛石基床宽度及地基加固深度对半圆堤稳定性的影响。计算结果表明：半圆堤结构在复合荷载作用的破坏包络线（面）均由一定区域的结构滑移破坏面和地基承载力破坏线（面）组成,并将整个荷载组合区分成4个区域：稳定区、只发生滑移破坏区、只发生地基承载力破坏区和同时发生滑移和地基承载力破坏区;荷载与位移组合加载模式得到的地基承载力破坏包络线位于Swipe加载方式得到的破坏包络线之外,但对每种加载方式得到的地基承载力破坏包络线变化趋势基本一致;随着箱内填砂高度的增加沿沉箱底部和抛石基床底部的抗滑安全系数均增加,但地基承载力安全系数减小;随着抛石基床宽度或地基加固深度的增加,地基承载力安全系数明显增大。     

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。