水平荷載作用下軟土地基中桶形基礎(chǔ)工作機(jī)理及承載性能研究.pdf

1、伴隨著海洋油氣資源開(kāi)發(fā)向邊際油田的進(jìn)軍，桶形基礎(chǔ)作為一種新型的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式應(yīng)運(yùn)而生。其外形上多為底端開(kāi)口、頂端封閉的倒扣大直徑圓桶。安裝時(shí)，首先依靠桶體自重使其部分地插入土中以形成密閉空間，然后抽出桶內(nèi)的空氣，利用內(nèi)外壓力差，將桶基逐步壓入至海床內(nèi)預(yù)定深度完成安裝。施以其相反的過(guò)程，桶基便可從土中拔出，運(yùn)送到其他海域進(jìn)行循環(huán)再利用。這種新型的基礎(chǔ)形式彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的導(dǎo)管架平臺(tái)、重力式平臺(tái)等固定式淺海結(jié)構(gòu)自重大、工程造價(jià)隨水深大幅增加

2、等不足，較適用于軟土地基及惡劣的海洋環(huán)境，被挪威專(zhuān)家譽(yù)為“導(dǎo)管架平臺(tái)基礎(chǔ)工程技術(shù)新時(shí)代的曙光”。近年來(lái)，我國(guó)針對(duì)渤海、東海、南海等近海海域油氣資源開(kāi)發(fā)的力度不斷加大，桶形基礎(chǔ)由于自身所獨(dú)有的特點(diǎn)必將在軟黏土地區(qū)海洋平臺(tái)的建設(shè)中起到不可替代的重要作用。桶形基礎(chǔ)在服役過(guò)程中，不僅受到上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)自重及其設(shè)備所引起的豎向荷載的長(zhǎng)期作用，還將承受風(fēng)、波浪、潮流、冰等所引起的水平荷載、力矩荷載的共同作用。而根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)可知，其中水平荷載的承

3、受能力對(duì)于桶型基礎(chǔ)的穩(wěn)定性而言則顯得尤為重要。目前，針對(duì)水平荷載作用下桶形基礎(chǔ)承載力特性的研究，尚缺乏被廣泛認(rèn)可的理論體系與計(jì)算方法，在我國(guó)進(jìn)行實(shí)際的工程應(yīng)用還需要做大量的準(zhǔn)備工作。因此，有必要針對(duì)水平加載模式下桶形基礎(chǔ)的變形機(jī)理及其承載力特性，開(kāi)展系統(tǒng)而深入的理論分析與數(shù)值計(jì)算等方面的綜合研究，發(fā)展并完善深厚軟黏土地基上桶形基礎(chǔ)的有關(guān)設(shè)計(jì)理論體系與計(jì)算方法，為我國(guó)海洋平臺(tái)桶形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。為此，本論文著重圍繞

4、水平荷載作用下軟基上桶形基礎(chǔ)的失穩(wěn)破壞機(jī)制及承載力特性等方面進(jìn)行了探索，主要研究工作包括以下諸方面：
　　 1.基于大型通用有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)單調(diào)水平加載條件下軟土地基中單桶形基礎(chǔ)進(jìn)行了系統(tǒng)地三維有限元建模分析。
　　 本文采用較為先進(jìn)的主從接觸對(duì)算法來(lái)模擬桶體與土體界面之間復(fù)雜的力學(xué)行為，建立了考慮桶體外表面與土體之間產(chǎn)生裂縫的有限元計(jì)算模型，同時(shí)考慮了桶體內(nèi)表面、桶體頂面及桶體底面與土體之間的接觸特性，避

5、免了傳統(tǒng)有限元分析中較少考慮桶體外表面與土體之間產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象或者較少考慮桶體內(nèi)表面與土體之間的摩擦接觸特性的不足，從而較為全面且合理地反映了單桶形基礎(chǔ)與土體之間的相互作用機(jī)制。根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，處于軟土地基中的單桶形基礎(chǔ)在水平荷載作用下的失穩(wěn)破壞機(jī)制為桶基繞泥面以下、基底以上某一點(diǎn)發(fā)生整體轉(zhuǎn)動(dòng)傾覆破壞，且在此過(guò)程中，桶前出現(xiàn)被動(dòng)破壞楔體，桶后出現(xiàn)桶土脫離現(xiàn)象，這一切均明顯有別于傳統(tǒng)的重力式基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)。
　　 通過(guò)二次開(kāi)發(fā)

6、及變動(dòng)參數(shù)比較研究，分別探討了土體不排水抗剪強(qiáng)度Su、土體有效重度y1、桶體長(zhǎng)徑比L/D、加載點(diǎn)距泥面高度h等因素對(duì)軟土地基中單桶形基礎(chǔ)水平承載能力的影響。并將有限元分析所得到的承載力結(jié)果及桶壁表面土壓力分布規(guī)律與已有的一些模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了定量或定性的比較，從而驗(yàn)證了本論文所建議的有限元模型及有限元計(jì)算結(jié)果的合理性。同時(shí)也表明，根據(jù)本文有限元分析所得到的軟基中單桶形基礎(chǔ)的失穩(wěn)破壞機(jī)制與模型試驗(yàn)是較為一致的。
　　 2.根據(jù)三維有限

7、元分析所得到的水平荷載作用下軟黏土地基中單桶形基礎(chǔ)失穩(wěn)破壞模式及作用于桶壁上的土壓力分布規(guī)律，基于三維極限平衡原理，本文提出了一種適用于工程中估算軟黏土地基中單桶形基礎(chǔ)水平承載力的三維極限平衡方法。利用本文提出的極限平衡方法，可以很方便地求得軟黏土地基中單桶形基礎(chǔ)的水平承載力值，將之與已有的現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了本文所建議的三維極限平衡方法的合理性與可行性，為指導(dǎo)工程實(shí)踐提供了一定的理論依據(jù)。
　　

8、 3.考慮到波浪等循環(huán)荷載的作用可能導(dǎo)致海床軟黏土地基發(fā)生強(qiáng)度弱化與剛度退化的循環(huán)軟化效應(yīng)，基于Andersen等所提出的軟黏土循環(huán)強(qiáng)度概念，建議了非線(xiàn)性彈塑性循環(huán)強(qiáng)度模型，并在大型通用有限元軟件ABAQUS平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了軟黏土地基中單桶形基礎(chǔ)循環(huán)承載力的擬靜力計(jì)算。通過(guò)計(jì)算表明：?jiǎn)瓮靶位A(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的失穩(wěn)破壞形態(tài)及地基中的等效塑性應(yīng)變分布與單調(diào)荷載作用下的極限破壞狀態(tài)是存在一定差異的。在循環(huán)失穩(wěn)狀態(tài)下，單桶形基礎(chǔ)的

9、轉(zhuǎn)動(dòng)中心明顯偏離了桶體的中軸線(xiàn)，而向桶體受荷側(cè)靠近，同時(shí)桶體底部的滑動(dòng)面不再是以單桶形基礎(chǔ)靜載傾覆失穩(wěn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心為球心的球面，而可能是一種更為復(fù)雜的空間曲面。通過(guò)變動(dòng)參數(shù)比較研究初步表明，單桶形基礎(chǔ)的循環(huán)承載力與埋深、荷載作用點(diǎn)高度及荷載循環(huán)破壞次數(shù)等諸多因素密切相關(guān)，而當(dāng)埋深及荷載循環(huán)破壞次數(shù)等因素一定時(shí)，在不同荷載作用點(diǎn)高度條件下所得到的循環(huán)承載力與對(duì)應(yīng)的靜載極限承載力相比降低程度基本上一致。
　　 4.針對(duì)目前對(duì)于桶形基

10、礎(chǔ)的探討多集中于單桶形基礎(chǔ)，而較少涉獵需考慮桶間效應(yīng)的多桶形基礎(chǔ)的研究現(xiàn)狀，本論文以單桶形基礎(chǔ)三維有限元建模分析經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)更具有工程背景的四桶形基礎(chǔ)的水平承載能力進(jìn)行了三維有限元變動(dòng)參數(shù)比較分析。主要參數(shù)包括：桶間距離B(小桶間距、小桶間距)、桶間連接剛度(無(wú)連接、彈性連接、剛性連接)。由分析可知，同等條件下，四桶形基礎(chǔ)的水平承載能力隨桶間距離B的增大表現(xiàn)出先增大后近似恒定的變化趨勢(shì)；而當(dāng)桶間距離B一定時(shí)，四桶形基礎(chǔ)的水平承載能力則

11、隨桶間連接剛度的增大而增大，即無(wú)連接<彈性連接<剛性連接。
　　 5.根據(jù)三維有限元分析所得到的水平荷載作用下軟黏土地基中四桶形基礎(chǔ)的失穩(wěn)破壞模式，基于塑性極限分析原理，分別提出了適用于計(jì)算剛性桶間連接條件下小桶間距與大桶間距四桶形基礎(chǔ)水平承載力的三維極限分析上限解法。利用本文提出的三維極限分析上限解法，可以很順利地求得軟黏土地基中四桶形基礎(chǔ)的水平承載力值，將之與三維有限元分析所得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者一致性較好，從而驗(yàn)證了本文