軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究.pdf

1、本文圍繞波浪循環(huán)荷載作用下軟基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模式與工作性能等方面進行了比較系統(tǒng)而深入的探索，論文的主要研究工作包括下列方面： 1.在大型通用有限元分析軟件ABAQUS平臺上，建立了單調(diào)加載條件下軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)的有限元計算模型。 采用先進的摩擦接觸算法來模擬筒-土之間界面上的復(fù)雜力學(xué)行為，建立了考慮筒外界面與土體之間可能產(chǎn)生裂縫與不考慮筒外界面與土體之間的裂縫的兩種有限元計算模型，同時考慮了筒內(nèi)側(cè)、筒

2、底界面與臨近土體之間的摩擦接觸特性，克服了通常有限元分析中沒有考慮筒外界面與土體之間可能產(chǎn)生裂縫或者沒有考慮筒內(nèi)側(cè)界面與筒內(nèi)土體界面上摩擦接觸特性的缺點，較全面而合理地反映了結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用機制。根據(jù)有限元分析，可以發(fā)現(xiàn)軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞機制為繞著泥面以下、筒底以上某點發(fā)生整體轉(zhuǎn)動而傾覆破壞，這明顯不同于傳統(tǒng)的重力式結(jié)構(gòu)或者樁基結(jié)構(gòu)。根據(jù)破壞時筒土之間是否形成裂縫，將大圓筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞機制分為單面破壞模式和雙面

3、破壞模式，在雙面破壞模式中，筒前、筒后各有一個破壞楔體，而在單面破壞模式中，僅在筒前有一個被動破壞楔體。 2.在由有限元計算分析所得到的軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式的基礎(chǔ)上，提出了大圓筒結(jié)構(gòu)水平承載力的改進三維極限分析上限解法。 根據(jù)有限元分析所得到的軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式，在上限極限分析中對失穩(wěn)破壞機制采用下述假定：大圓筒結(jié)構(gòu)繞筒體內(nèi)中軸線上某點發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動傾覆失穩(wěn)，靠近泥面附近的淺層土體內(nèi)形成潛在破

4、壞楔體，而筒底部形成球形滑裂面，從而避免了Murff-Hamilton失穩(wěn)機制中深層土體水平運動模式與整個體系旋轉(zhuǎn)運動模式不協(xié)調(diào)的缺點。以此為基礎(chǔ)，基于塑性極限分析原理，并考慮軟土地基不排水抗剪強度的各向異性效應(yīng)，建立了一種改進的三維極限分析上限解法。根據(jù)加載過程中筒后主動側(cè)土體與筒體之間界面的脫離或黏結(jié)等兩種不同的接觸狀態(tài)，將可能的破壞機制劃分為僅在筒前被動側(cè)形成楔體破壞的單面破壞機制與在筒后主動側(cè)和筒前被動側(cè)均形成楔體破壞的雙面破壞

5、機制。將改進極限分析上限解法所得到的水平極限承載力及旋轉(zhuǎn)中心的深度與有限元分析、極限平衡計算方法所得到的相應(yīng)結(jié)果進行了對比。根據(jù)對比結(jié)果的一致性，驗證了本文所建議的改進極限分析上限解法的合理性。進而通過變動參數(shù)對比分析，探討了K0固結(jié)條件下軟黏土不排水抗剪強度的各向異性、荷載作用點高度及界面摩擦折減系數(shù)δ等對于軟基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)承載力的影響，計算結(jié)果表明：在給定的土性參數(shù)等條件下，大圓筒結(jié)構(gòu)歸一化承載力隨著長徑比L/D的增加而增加。

6、在軟土地基的三軸拉伸抗剪強度較低的情況下，不考慮土的抗剪強度的各向異性效應(yīng)時計算所得到的承載力可能偏高，這與有限元分析所得到的規(guī)律是一致的。在給定的土性參數(shù)及長徑比參數(shù)等條件下，歸一化承載力隨著無量綱化荷載作用點高度Lp/D的增加而減小。同時，大圓筒結(jié)構(gòu)歸一化承載力隨著界面摩擦折減系數(shù)的增加而增加，而且雙面破壞模式下這利增加趨勢比單而破壞模式更為明顯，在δ=0.65時計算所得到的承載力與不考慮摩擦折減即界面完全粗糙δ=1情況相比，承載力

7、的降低少于10﹪。 3.考慮到波浪循環(huán)荷載可能導(dǎo)致的軟黏土海床或者地基發(fā)生強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)強度概念，建議了非線性彈塑性一循環(huán)強度模型，并在大型通用有限元軟件ABAQUS平臺上通過二次開發(fā)，實現(xiàn)了軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)等大型海洋結(jié)構(gòu)物循環(huán)承載力的擬靜力計算模塊。通過計算表明：深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)地基在循環(huán)破壞時的失穩(wěn)形態(tài)及地基中等效塑性應(yīng)變的分布與單調(diào)荷載作用下的極限破壞狀

8、態(tài)時存在一定的差異，在循環(huán)失穩(wěn)狀態(tài)時，深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心明顯偏離了筒體中軸線，而向筒體受荷側(cè)靠近，同時筒底部的滑動面不再是以大圓筒結(jié)構(gòu)傾覆失穩(wěn)時的旋轉(zhuǎn)中心為球心的球面，而可能是個更為復(fù)雜的空間曲面。通過變動參數(shù)對比分析的初步研究表明，大圓筒結(jié)構(gòu)的循環(huán)承載力與埋深、荷載作用點高度及荷載循環(huán)破壞次數(shù)等諸多因素密切相關(guān)，而在埋深及荷載循環(huán)破壞次數(shù)等因素一定的情況下，不同的荷載作用點高度時所得到的循環(huán)承載力與相應(yīng)的極限承載力相比的降低程

9、度基本上一致。 4.利用大型通用有限元分析軟件ABAQUS的用戶子程序(UMAT)接口，通過二次開發(fā)，采用比較合理的隱式積分算法將Carter等提出的改進劍橋動力本構(gòu)模型嵌入ABAQUS/standard模塊。 對于Carter等所建議的改進劍橋動力本構(gòu)模型探討了相應(yīng)的隱式積分算法，并在大型通用有限元軟件ABAQUS平臺上進行了數(shù)值實施。利用本文推導(dǎo)的隱式積分算法及改進劍橋動力本構(gòu)模型，分別對于單調(diào)加載條件下和循環(huán)加載條

10、件下的土工三軸試驗進行了數(shù)值模擬。對于單調(diào)加載條件下的土工試驗，計算結(jié)果與ABAQUS自身含有的修正劍橋本構(gòu)模型及Sheng等所建議的伴隨誤差控制的子增量步顯式積分算法所得到的結(jié)果比較吻合。對于算例中的正常固結(jié)土和超固結(jié)土的不排水三軸試驗所得到的不排水抗剪強度數(shù)值解與理論解非常接近。對于循環(huán)加載條件下的土工試驗，計算所得到的有效平均應(yīng)力與加載次數(shù)之間的關(guān)系高于土工試驗所得到的實測曲線，但是兩者呈現(xiàn)出比較一致的變化趨勢，而且兩者差異也在工

11、程上土工動力計算所允許的范圍之內(nèi)。由此表明，本文針對改進劍橋動力本構(gòu)模型所開發(fā)的隱式積分算法基本上是合理而有效的。 5.采用本文對于改進劍橋動力本構(gòu)模型所開發(fā)的數(shù)值積分算法，在ABAQUS平臺上建立了軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)在波浪循環(huán)荷載作用下的彈塑性有效應(yīng)力分析模塊?；诤雎酝凉羌芎涂紫端膽T性效應(yīng)的廣義Biot固結(jié)理論的簡化形式，針對波浪荷載作用下軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析建立了比較嚴(yán)密的有效應(yīng)力計算力學(xué)模型，