流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪研发与应用

为研究复合加载模式下三维荷载空间内海洋土变形机理与承载能力,自主研发了能够实现六自由度单、双向复杂加载路径的流-固-土耦合静、动态土工试验仪。该设备能够实现多自由度情况下静力与动力的复杂加载路径试验,能够模拟复杂的海洋环境荷载作用。详细的阐述了设备研发原理、多自由度控制模式与技术参数确定中的若干问题,为日后相关土工试验设备的研制提供了参考价值。初步试验结果表明:该试验设备能够较为准确地研究微观情况下海洋土体的变形规律、破坏机理与极限承载能力;设备中的耦合加载控制方法,能够用于研究复合加载模式下三维荷载空间内海床土体的极限承载能力;文中给出的Plc控制模块、采集模块能够较为准确地提高数据的测量与采集精度。     

自升式平台桩基土体变形规律与破坏机理分析

研究自升式平台桩基土体的变形规律与失稳机理,对合理评价平台桩基的稳定性具有十分重要的意义。本文基于Galerkin数值分析方法,采用网格重绘与插值技术,利用Abaqus/Stand的牛顿求解方法对平台插桩过程进行大变形分析,较为准确地研究了边界非线性对土体变形规律与破坏机理的影响。通过Abaqus二次开发接口,合理地模拟了桩土界面摩擦特性,以及海床土层剪切强度沿深度非均匀变化特性对海床极限承载能力和破坏机理的影响。揭示了插桩过程中桩周土体的变形规律与失稳模式,给出了插桩入泥深度与极限承载力曲线,并将计算结果同Skempton、Hansen等计算公式进行了合理对比。结果表明:本文给出的桩基土体变形规律与破坏机理,能够较为合理地揭示自升式平台插桩过程中海床土体的大变形特性,以及较为合理地评估自升式平台桩基极限承载能力。     

砂性海床管道承载能力与入泥深度上限分析

本文基于刚塑性极限分析理论,按照Hill塑性破坏模式,构建了砂性海床土体运动许可速度场。对饱和不排水砂性海床上浅埋圆形管道的极限承载能力以及管道的入泥深度进行了理论推导,给出了浅埋圆形管道承载能力与入泥深度的上限解答。同时,为了验证本文给出的承载能力和入泥深度上限解答的合理性,将计算结果与国内外规范中常用的Terzaghi等计算公式进行了对比分析。对比结果证实了本文上限解答与失稳模式较为合理。     

复合加载下考虑接触作用的地基承载特性数值分析

港口、海洋工程结构物基础一般处于复合加载状态,其极限承载力通常采用近来引入的极限荷载图进行评价.对位于地基表面的重力式海洋基础,需要考虑基础与地基间的接触特性对极限承载力的影响.以大型通用有限元软件ABAQUS为计算平台,建立了复合加载模式的地基极限承载力数值分析方法;针对饱和黏土地基上的表面基础,利用在ABAQUS平台上开发的接触计算模块,模拟基础与地基间竖向可分离、切向完全粘结的接触作用;进而基于建立的分析方法,进行系统的有限元计算,分析地基的破坏模式随荷载条件的变化,给出地基的极限荷载包络图,并与经典承载力计算公式结果进行对比.研究结果表明,经典承载力计算公式低估了三维荷载条件下的地基极限承载力,有限元计算模型及数值分析方法,可以较好地分析研究地基的失稳机理及承载力特性,并可考虑基础与地基不同的接触条件对破坏模式及组合极限承载力的影响.     

复合加载下桶形基础循环承载性能数值分析

作为一种新型基础形式,吸力式桶形基础除了承受海洋平台结构及自身重量等竖向荷载的长期作用之外,往往还遭受波浪等所产生的水平荷载及其力矩等其它荷载分量的瞬时或循环作用。对复合加载模式下软土地基中桶形基础及其结构的循环承载性能尚缺乏合理的分析与计算方法。应用Andersen等对重力式平台基础及地基所建议的分析方法,基于软黏土的循环强度概念,在大型通用有限元分析软件ABAQUS平台上,通过二次开发,将软土的循环强度与Mises屈服准则结合,针对吸力式桶形基础,基于拟静力分析建立了复合加载模式下循环承载性能的计算模型,并与复合加载作用下极限承载性能进行了对比。由此表明,与极限承载力相比,桶形基础的循环承载力显著降低。     

极端海况下单桩周围土体瞬时孔压响应分析

波浪作用下海床土体的液化现象严重影响着海洋工程结构物的安全性和稳定性。以往的学者针对海床土体中残余孔压的累积发展规律已有较多研究,但是对于海洋结构物周围土体中的瞬时孔压响应分析较少。本文以黄河三角洲粉土海床为研究对象,通过ABAQUS子程序同时考虑了单桩所受水平波浪荷载、土体所受竖向波浪荷载,从而研究了极端海况下海上风电大直径单桩基础周围土体的瞬时孔压响应。通过数值模拟结果得到如下结论：相比于仅受到波浪的竖向作用时,单桩的振动效果使得桩周土体在一定深度范围内出现的孔隙水压力,超过了海床表面的孔压最大值;同时,单桩四周孔压分布并不对称,其中桩前土体负孔隙水压力峰值小于桩后;波谷作用时,计算得到的桩前土体瞬时液化深度大于桩后土体,且随着距离单桩距离的增加,最大液化深度在逐渐减小。     

单向荷载作用下海上风机多桶基础承载特性数值分析

作为一种新型的深水海上基础型式,桶形基础在海上风机设施设计与建设中逐步得到了发展和应用。以三桶基础为例,采用大型有限元软件ABAQUS对海上风机多桶基础的承载特性进行了三维有限元数值分析。根据海上风机的荷载受力特点,分别探讨了三桶基础在竖向荷载、水平荷载和力矩作用下的极限承载力,得出荷载作用方向及桶间距对极限承载力的影响程度,研究成果为复合加载模式下海上风机多桶基础的承载特性分析奠定了基础。     

水平循环荷载下海上风电楔形单桩土体变形研究

海上风电工程主要受到风、波浪及洋流等产生的水平循环荷载作用,本文研究楔形单桩基础在水平循环荷载作用下的变形规律,并探讨不同循环荷载对变形规律产生的影响,以确保风电设施正常运行。通过数值模拟建立海上风电单桩-海床模型,考虑土体超孔隙水压力的演变规律及土体致密规律,土体采用UBC3D-PLM本构模型。本文重点讨论并分析在不同水平循环荷载作用下楔形单桩基础与等截面单桩基础的桩周土体位移、塑性应变及桩基累计转角位移之间的差异。研究结果表明：楔形结构会降低桩周土体位移及塑性应变,使得楔形单桩基础旋转中心位置更低,产生倾覆的可能更小,当循环荷载比为0.7时,累计转角位移能减少41.86%;循环荷载越大,楔形单桩基础水平受荷特性越好,累计位移减少量的增长率越高。研究成果可为今后海上风电基础的选择与设计提供参考。     

水下生产系统防沉板结构形式改进研究

防沉板是水下生产系统的重要基础形式,在海洋工程开发中有着广泛应用。基础承载能力不仅决定防沉板的适用范围,还关乎水下生产系统的稳定性与安全性。运用有限元软件ABAQUS,建立防沉板与土体的相互作用模型,通过平衡初始地应力,设置主从接触,施加重力荷载与位移约束,用Swipe法对不同结构形式防沉板进行数值模拟。比较分析多种防沉板在复合加载模式下的极限复合承载能力差异,讨论了单轴竖向承载力、V-H、H-M荷载空间破坏包络线。计算结果显示,防沉板是否有底部结构、底部结构的形式、布置以及深度对荷载位移曲线以及破坏包络线有着显著的影响。提出了通过改进防沉板结构形式以克服承载力不足的问题的建议,为拓宽防沉板的运用领域提供了参考。     

海床表层软土对宽浅式筒型基础承载特性影响研究

近海海床表层多为软黏土或淤泥质土,为探究海床表层软土对海上风电宽浅式筒型基础承载特性的影响,以中国广东某海域风电场为背景,通过有限元分析的方法,研究竖向、水平、弯矩荷载作用下软土层厚度和土体强度对基础极限承载力、破坏模式以及筒基土压力分布的影响。研究结果表明:当软土层厚度小于H/2(H为筒裙高度)时,单向荷载作用下宽浅式筒型基础极限承载力随软土层厚度的增加呈线性减小的趋势;当软土层厚度大于H/2后,承载力降低速率逐渐增大。表层软土的存在,使得塑性区范围缩小,软土层内土体塑性破坏更加明显。竖向荷载作用下,随软土层厚度的增大,筒顶承载先减小后增大,筒内侧摩阻力先增大后减小;水平荷载和弯矩作用下,筒侧被动土压力的降低是引起软土覆盖地基中基础承载能力降低的主要因素。     

黏土地基上海洋平台桩靴峰值阻力上限分析

在自升式平台的预压载过程中，桩靴在层状地基上较易发生“穿刺”现象，很大程度上影响着平台的安全运行。准确地分析桩靴峰值阻力，避免平台桩靴发生“穿刺”是非常重要的。采用极限分析上限定理，合理构建运动许可速度场，从理论上推导了层状地基上桩靴峰值阻力的上限解答。为了进一步验证峰值阻力理论解答的准确性，采用ABAQUS有限元软件构建了“桩靴—弹塑性海床”的三维数值模型，对桩靴贯入海床的过程进行了数值模拟，分析桩靴周围土体的塑性变形演变规律，研究土体的破坏机理。研究结果表明：推导的桩靴峰值阻力上限解答，能够较好地计算层状地基极限承载能力，通过与离心机试验和数值结果对比，计算误差在18%以内；给出的运动许可速度场能够较好地反映桩靴周围土体破坏模式；桩靴阻力达到峰值时，下层软土中的土塞高度约为桩靴直径的0.2倍。     

波浪荷载及土体特性对风电单桩基础水平变形影响规律

大直径单桩基础是海上风电应用广泛的一种基础形式,严格控制桩基泥面处的位移是保证基础稳定和风机安全运营的关键因素.通过数值方法建立了单桩—海床的三维模型,将可以描述海洋砂土超固结性和结构性的弹塑性本构模型通过UMAT子程序嵌入有限元软件ABAQUS中,桩基承受的波浪荷载通过Morison方程进行计算模拟.针对无波浪荷载、仅作用于海床的波浪荷载、同时作用于桩基和海床的波浪荷载三种情况,分析了海床土的动力响应以及桩基的水平位移之间的差异,探讨了海床土体参数对桩基水平变形的影响.研究结果表明海床土体液化会导致桩基水平变形增加,海床土渗透性、超固结性、结构性对桩基水平位移影响显著,研究成果可为海上风电单桩基础的设计与运维提供参考.     

海洋平台的灌浆卡箍技术研究

在国内外文献研究的基础上，对钢质近海结构物的修理，加固方法做了较为深入的研究，利用丹麦学者N．S．Ottosen提出的多轴应力状态下混凝土强度理论Ottosen破坏准则，建立了钢与混凝土组合结构T型灌浆卡箍管节点的轴向受控，受压和面内弯矩作用下的非线性有限元计算模型，采用分级加载计算分析了相应的极限承载能力，并与试验结果进行比较分析，计算结果表明，经灌浆卡箍维修后的管节点应力分布，变形和极限承载能力都得到了明显的改善，所得结果较好地反映了实际结构的力学特性。     

复合加载模式作用下地基承载性能数值分析

确定竖向荷载(V)、水平荷载(H)和力矩(M)共同作用下建筑物地基的破坏模式及在荷载空间(H,V,M)中的破坏包络面是地基设计中的关键问题。为提高Swipe试验方法计算精度,提出了改进方案,进而利用有限元方法分析了复合加载模式作用下均质粘性土地基上条形基础的破坏包络面。计算表明,基于改进Swipe试验方法的数值模拟结果明显好于常规Swipe试验方法。针对海洋工程中实际复合加载模式的特点,探讨了竖向荷载分量V对地基破坏模式和H-M荷载平面上的破坏包络线的影响,结果表明竖向荷载分量显著地改变了地基的破坏模式及包络线的形状。     

波浪作用下海床的有效应力分析

波浪作用下海床的稳定性分析是海洋工程地质评价的重要内容。海床的稳定性可通过计算分析其随时间变化的有效应力场来评估。本文建议了一个周期荷载作用下土体的本构模型 ,并用于计算波浪作用下海床的应力与变形。采用Biot固结理论和有限单元法 ,分析了海床的动态应力场与孔隙水压力场。波浪作用下两种渗透系数时有效应力的动态变化过程结果对比 ,反映了渗透消散作用对海床有效应力变化的影响     

海底防沉板—桩复合基础承载特性数值分析

为了研究桩长对海底防沉板—桩复合基础在水平、弯矩和扭转荷载作用下承载特性的影响,以我国南海水深200 m的某工程实例为研究对象,利用Flac3D有限差分仿真软件建立了计算模型。研究了桩长为4 m、6 m和8 m的防沉板—桩复合基础在水平、弯矩和扭转荷载作用下的极限承载力和荷载传递机理。结果表明,桩长超过6 m时复合基础的水平承载力显著增长,在水平加载过程中,防沉板总是先达到极限状态而破坏,桩基础的贡献在加载后期体现,且桩长为4 m、8 m时,桩基础与防沉板的连接处弯矩最大;随着桩长的增加,复合基础的抗弯承载力大幅提高,桩基础对复合基础的抗弯承载力贡献增大,当桩长超过8 m,桩长的增加对提高复合基础的抗弯承载力意义不大;在弯矩加载过程中,桩长对于防沉板、桩基础的荷载分配有显著影响,桩长为4 m时,外荷载主要由防沉板承担,当桩长超过4 m时,外荷载主要由桩基础承担;当扭转荷载不超过2 100 k N·m时,防沉板承担主要荷载,直至防沉板达到极限状态而发生旋转,随后桩基础的承载力逐渐发挥;对于桩长为6 m、8 m的复合基础,其极限状态根据防沉板适用性准则确定。     

海底滑坡作用下滩海管道结构安全分析

海底滑坡作为常见的海洋地质灾害,对海洋油气工程安全产生巨大威胁。海床土体失稳引起滑坡体滑动,会对海底管道产生拖曳作用。基于计算流体动力学方法(CFD)建立海底滑坡体对管道作用的评估模型,采用H-B模型描述块状滑坡体并与试验比较验证,分析不同海床倾斜度滑坡对管道的作用并拟合表达式;研究了海底管道在滑坡作用下的力学响应,并采用极限状态方法开展海底滑坡作用下管道结构极限安全分析,探讨了管道埋地状态时的极限安全界限,建立滑坡作用下管道结构安全分析方法。研究表明:滑坡对管道作用力与海床倾角呈现正相关,而覆土层厚度对作用力影响较小;随着不排水抗剪强度的减小,允许的滑坡宽度和速度均增加,表明土体不排水抗剪强度与引起的拖曳力呈正相关;滑坡土体宽度对极限安全速度影响较大。     

沉入式大圆筒码头稳定性有限元强度折减法分析

由于作用荷载复杂,沉入式大圆筒码头结构设计计算需要考虑不利情况下的各种荷载组合,难以应用现有的有限元加载系数法进行稳定性分析。有限元强度折减法目前已广泛应用于土体边坡稳定性分析。沉入式大圆筒结构的抗滑、抗倾稳定性是靠地基土的嵌固作用来维持的,可通过弱化土体强度来实现对结构极限破坏状态的模拟。在此假设基础上,建立沉入式大圆筒码头稳定性分析的有限元强度折减法。结合某工程实例,利用有限元强度折减法分析沉入式大圆筒码头结构的稳定性。强度折减法只需对土体的强度进行弱化,操作方便,克服了加载系数法的缺点,适用于码头等作用荷载复杂的结构物稳定性分析。     

复合加载条件下吸力式沉箱基础承载特性数值分析

吸力式沉箱基础的承载特性是海洋工程结构设施建造与设计中的一个关键问题。这种新型的深水海洋基础型式,通常承受竖向上拔荷载与水平荷载的共同作用,其工作性能与设计理论远远不能满足工程实践的需要。本文采用有限元分析方法对吸力式沉箱基础的极限承载特性进行数值计算。以大型通用有限元分析软件ABAQUS为平台,通过二次开发,数值实现了Swipe试验加载方法和固定位移比分析方法,针对不同的沉箱长径比、土的强度折减系数,探讨了沉箱基础在垂直上拔荷载和水平荷载单调联合作用下的极限承载力,通过对不同荷载组合的数值计算构造了复合加载条件下沉箱基础破坏包络面。     

海底管线沉降量计算方法的理论研究与试验验证

根据极限平衡和极限分析方法,首先建立了软土地基土体上海底管线的极限承载力计算公式.当地基处于极限状态时,基础作用于地基的全部荷载应等于该地基土体的承载能力,根据这一关系式可以推导出海底管线沉降量的计算公式.最后通过对试验结果的分析,证实所采用的计算方法是可行的.