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。     

砂土地基中吸力式沉箱的极限沉贯深度分析

吸力式沉箱是广泛应用于离岸结构物中的新型基础形式,贯入分析方法的研究是很重要的课题。分析了砂性土地基吸力贯入过程中的渗流状况,得出了筒内壁的压降比率与贯入深径比的关系公式,分析评估了抽吸作用对筒内壁压降比率的影响,提出了砂土地基中吸力贯入阻力和地基极限吸力的简便计算方法,给出了砂土地基中极限贯入深径比的计算公式,分析了各种砂土地基中的吸力贯入极限深径比。不计筒体自重和抽吸效应影响时,这一比值介于2.1～2.5之间。     

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。     

吸力式沉箱基础底部土体卸荷蠕变及其长期抗拔承载特性研究

饱和软黏土地基中吸力式沉箱基础在上拔过程中其底部土体为轴向卸荷状态,目前对软黏土卸荷蠕变以及吸力式沉箱长期抗拔承载特性研究较少。因此,进行了不同围压下软黏土三轴固结不排水卸荷蠕变试验以及吸力式沉箱基础长期抗拔试验,分析了沉箱底部土体卸荷蠕变特性以及吸力式沉箱基础长期抗拔承载特性。卸荷蠕变试验结果表明：在偏应力较低的情况下,土体卸荷蠕变变形可忽略不计,土样变形主要为瞬时变形。随着轴向卸荷应力增大,软黏土蠕变变形越大且非线性蠕变特性愈加明显。根据卸荷蠕变试验结果,提出与应力水平相关的蠕变模型,揭示了模型中3个参数在相同围压下随应力水平的增大而近似呈线性减小的变化规律。然后将该模型从一维扩展至三维,并开发UMAT子程序,通过有限元验证该模型的合理性。同时将该模型用于吸力式沉箱基础抗拔承载力分析中,并与吸力式沉箱模型长期抗拔试验结果进行了对比验证。     

饱和砂土地基中吸力式桶形基础水平承载力研究

吸力式桶形基础不仅承受着上部结构及自身所引起的竖向荷载,还受到波浪、海流、海风等引起的水平荷载作用,在高纬度海域冬季还可能受到海冰的长时间挤压作用。利用三维有限元模型,研究饱和排水砂土条件下吸力式桶形基础的水平极限承载力和失稳模式,分析缓慢施加水平荷载时吸力式桶形基础失稳破坏机制,探讨不同长径比的桶形基础承载性能,研究桶体内外壁土压力分布情况和转动轴位置,并根据极限平衡解法,推导出饱和砂土地基桶形基础水平极限承载力计算公式。研究结果可为砂土地基条件下的吸力式桶形基础的设计提供参考。     

利用循环强度分析张紧式吸力锚循环承载力的方法

按照在最佳系泊点受倾斜荷载作用的张紧式吸力锚的破坏机制,建议了利用软土不排水循环剪切强度计算软土中吸力锚循环承载力的极限平衡分析方法。该方法考虑了平均系泊荷载在土中引起的平均剪应力对土体循环剪切强度、进而对锚循环承载力的影响。为了说明该方法的可行性,进行了大量张紧式吸力锚在平均系泊荷载与循环荷载共同作用下的承载力模型试验。依据试验结果确定了锚被竖向拔出土层时系泊点的位移破坏标准,并据此确定了与不同模型试验条件对应的循环承载力。进而利用循环三轴试验确定的土层不排水循环强度随平均应力的变化关系和实测的土层剪切强度,通过极限平衡分析计算了与模型试验对应的循环承载力。计算与模型试验结果比较表明,对于张紧式吸力锚被竖向拔出土层的破坏模式,计算结果比模型试验结果偏大,平均偏大1.9%,绝大多数偏差在10%以内。因此,对于软土中的张紧式吸力锚,如果采用该方法计算与竖向拔出土层破坏模式相应的循环承载力时,将结果减小10%是恰当的。     

吸力式沉箱底部土体循环特性及其等效循环蠕变模型研究

吸力式沉箱基础作为张力腿平台(TLP)的锚固基础,其底部土体不仅存在轴向卸荷作用,而且还存在循环荷载作用。现有研究很少涉及在卸荷条件下进行的软黏土循环累积变形研究。因此,通过循环三轴试验研究了轴向卸荷条件下软黏土的应变累积变形及应变软化特性。试验结果表明:在低静偏应力以及动偏应力条件下,土体应变累积及软化程度较低;随着动偏应力增加,循环累积变形逐渐变大且前期发展较快后期趋于稳定,同时应变软化程度逐渐增大;土体循环累积变形随动偏应力提高而增大,其循环累积应变曲线呈衰减-稳定的蠕变特性。在试验基础上,提出与静偏应力和动偏应力有关的软化系数公式。构建了考虑软化系数与静偏应力、动偏应力等条件下软黏土等效循环蠕变模型。将该模型推广至三维,并开发了有限元子程序。建立了循环荷载作用下吸力式沉箱基础循环抗拔承载力有限元分析法,将其用于吸力式沉箱基础循环累积变形分析中,并与沉箱模型循环试验结果进行了对比验证。     

海上风机吸力式筒形基础抗压承载模式研究

吸力筒基础具有承载能力高、工艺简单、施工方便等优势,越来越广泛地应用于海上风电基础设计中。目前,吸力筒基础抗压承载计算方法尚没有统一的标准。为了降低海上风电基础设计成本,本文基于现有的API规范和地基承载力理论,总结3种不同吸力筒抗压承载模式,并提出“筒盖+筒壁外侧摩阻力”承载模式;根据工程案例和有限元软件PLAXIS验证其合理性,得出“筒壁端+筒壁内外侧摩阻力”承载模式和本文提出的“筒盖+筒壁外侧摩阻力”承载模式的计算结果符合DNV-OS-J101规范标准;按照本文提出的吸力筒抗压承载模式设计吸力筒尺寸,最大可降低13%的设计基础材料成本,有利于为海上风电吸力筒基础设计提供参考依据。     

埋深基础地基极限承载力的数值求解方法

为确定作用在已知埋深、给定基础形状地基土上的极限承载力,对基底下的土体进行网格划分,先假定一均布荷载作用在此地基土上,运用明德林解的积分公式,结合角点法,编制MATLAB语言程序,求出每个网格节点上附加应力,进而求得每个网格节点上主应力,根据破坏准则,结合程序找出破坏点的坐标,利用MATLAB的图形处理功能,把破坏点的坐标在坐标图中显示出来。继续加大矩形荷载,直至这些破坏点在坐标图中刚好能够形成一个连续的破坏面,此时的矩形荷载即为此地基的极限承载力。此方法不仅可以有效地避免了地基承载力经验公式中一些不合理的假设带来的误差,更符合实际情况,而且可以直观地了解到地基土的三维破坏面。     

条形基础极限承载力数值分析

根据塑性力学滑移线理论,推导了条形地基在极限平衡状态下的平衡微分方程,然后利用有限差分法推出地基土在极限状态时的有限差分公式,结合边界条件编制出地基承载力计算程序,该程序求解条形地基极限状态下的滑移线区域及相应的地基极限承载力值时可以考虑基础埋深、地基土重度、土的内摩擦角、基础与地基摩擦等参数。利用程序,得到了土的内摩擦角与地基承载力系数N? 的对应表,并全面讨论了基础埋深、地基土重度、内摩擦角及基础与地基摩擦角等参数对地基承载力和滑移线形状的影响,得到了一些有意义的结论。     

基于极限承载力试验的扩底抗拔桩承载特性数值模拟分析

基于天津于家堡南地下车库工程扩底桩抗拔极限承载力试验,结合数值模拟手段对扩底桩抗拔承载特性、破坏模式和受力机制开展了分析研究。计算分析表明,扩底桩（有效桩长19 m）相比等截面桩抗拔极限承载力提高约50%,材料增加仅8.5%,扩底桩扩大头周边土体提供的抗力显著提高了抗拔承载力;荷载较小时抗拔力主要由等截面段侧摩阻力提供,扩头段抗拔力占桩顶加载的比值随加载近似呈线性增加;扩底桩等截面段沿桩土界面先发生剪切破坏,扩头段周边土体后发生受压破坏,抗拔承载力达到极限;扩头段位于同一土层时,不同桩长扩头段提供的极限抗拔力相差不大,桩长越长,扩头段抗拔力贡献率越低;扩头段抗拔力主要由自重、扩头段法向力竖向分力和侧摩阻力组成,其中法向力竖向分量提供了扩头段的主要抗拔力,占扩头段总抗拔力约70%。     

Holding capacity of suction caisson anchors embedded in cohesive soils based on finite element analysis

The foundations of offshore structures have been intensively studied to provide design guidelines for oil platforms. Recently, techniques developed for the oil industry have found new applications in the design of foundations for offshore wind turbines. There are simplified analytical solutions for the holding capacity of suction anchors, which are based on postulated failure mechanisms and are often compared with the results of finite element analyses. The merit of the results of a finite element analysis over the simplified solutions is that the finite element analysis satisfies all the basic equations in mechanics and does not require the assumption of reasonable failure mechanisms. The aim of this study is, based on the results of extensive finite element analyses, to provide a set of formulae for the estimation of the holding capacities of optimally loaded suction caisson anchors embedded in cohesive soils with a linear strength distribution. The bearing capacity factor and the depth of the optimal loading point are also estimated and reported. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

Fuzzy modeling of holding capacity of offshore suction caisson anchors

A fuzzy algorithm, the Takagi–Sugeno model, is implemented to develop a fuzzy inference system for predicting the holding capacity of suction caisson foundations for offshore platforms. The premise parameters of the fuzzy model are optimized by using a subtractive clustering algorithm. The consequent parameters are optimally determined via a weighted least square estimation. The input variables used for training the fuzzy model include the aspect ratio of the caisson, the undrained shear strength of the clay, and the angle that the chain force forms with the horizontal. The output of the proposed fuzzy model is the capacity of the suction caisson anchor. To demonstrate the effectiveness of the fuzzy modeling framework, the results of extensive finite element analyses are investigated. Comparisons of the trained fuzzy model with the data demonstrate that the proposed modeling framework is an effective method to estimate the holding capacity of offshore suction caisson systems. Moreover, the performance of the fuzzy model is robust against higher levels of input data uncertainties. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

深层搅拌复合地基的极限承载力预测模型探讨

分析了确定复合地基承载力的现况。根据收集到的复合地基承载力检测资料,用双曲线模型、指数模型、灰色模型对复合地基极限承载力进行了预测,并对模型的预测效果进行了分析对比,提出了适合天津市区复合地基的极限承载力预测模型。对预测值进行了修正。根据预测值建立了极限承载力和承载力特征值的关系。     

方形和圆形基础地基极限承载力分析

通过对方形和圆形基础地基极限承载力的经验公式、理论解、静载荷试验结果进行对比分析,得到下列结论：对于砂性土,经验公式和理论解的计算结果明显偏小;对于粘性土,Vesic经验公式的计算结果更接近静载荷试验结果;李伟理论解适合于软粘性土,而周中理论解适合于高强度的粘性土。     

土岩组合岩体中抗拔桩极限承载力的确定

为全面探究土岩组合岩体中抗拔桩的极限承载力,结合工程岩土参数及试验数据,运用Flac3D数值分析软件对其进行数值模拟分析,即可得到土岩组合岩体中抗拔桩的极限承载力。基于被动状态下的Kotter极限平衡方程式求解土层提供的抗拔力,根据岩石强度,基于Hoek-Brown破坏准则求解抗拔桩嵌岩端岩体的抗拉强度,从而可计算得到嵌岩端岩体的抗拔力;由静力平衡原理,叠加土层及嵌岩端岩体提供的抗拔力及破坏锥体重量,即可得到土岩组合岩体中嵌岩抗拔桩的极限承载力理论解析式。在嵌岩深度较小的情况下,该解析式的理论计算值与数值模拟分析值相接近,但随着嵌岩深度的增加,理论计算值会偏离数值计算值。故结合数值模拟试验值,对提出的极限承载力理论解析式作进一步的修正,得到修正后的极限承载力解析式能反映嵌岩端岩石风化程度、嵌岩深度、土层厚度、桩长对极限承载力的影响。运用修正后的解析式对该地质条件下不同抗拔桩的极限承载力计算表明：数值模拟结果与理论计算结果相吻合,说明所建立的抗拔桩极限承载力解析式的方法是可行的。同时,运用该方法可确定类似工程中嵌岩抗拔桩的极限承载力。