軟土地基上吸力式沉箱基礎的抗拔承載特性研究.pdf

1、隨著石油、天然氣和金屬礦物等海洋資源開采活動由淺海向深海(水深大于500m)的推進，重力式、樁基導管架平臺等常見的淺海平臺形式不再適用而開始推廣采用大型浮式結構，因此大型浮式平臺結構在深海海底的錨泊問題對巖土工程提出了新的挑戰(zhàn)。與淺海平臺相比，深水海洋平臺基礎的系錨豎向荷載不再是向下的壓力，而是上拔荷載，并存在著水平荷載和力矩荷載分量，所以傳統(tǒng)的以受壓為主的樁基等基礎型式已不再適用，這就需要人們開發(fā)新的海洋平臺基礎形式。近年來國內外的研

2、究學者們正研究和推廣一種新型的海洋平臺基礎形式--吸力式沉箱基礎，其比較適宜于軟土地基和惡劣的海洋環(huán)境，具有運輸與安裝方便、工期短、造價低、可重復使用等優(yōu)點，并可提供全方位錨固能力，抗拉力發(fā)揮穩(wěn)定，更適合浮式結構作業(yè)要求。由于吸力式沉箱基礎在工作機理上不同于傳統(tǒng)的重力式基礎和樁基基礎，目前尚缺乏較為統(tǒng)一的認識與成熟的設計理論，而且工程中不可避免地要遇到大量的深厚軟黏土等不良海洋土地基，因此必須發(fā)展和完善軟土地基上吸力式沉箱基礎的有關設計

3、理論體系與計算方法。為此，本文圍繞波浪循環(huán)荷載作用下軟土地基上吸力式沉箱基礎穩(wěn)定性研究中所存在的主要問題及沉箱基礎的失穩(wěn)模式等方面進行了比較系統(tǒng)而深入的探索研究，論文的主要研究工作包括下列方面： 1.基于大型通用有限元分析軟件ABAOUS平臺，建立了單調加載條件下軟土地基上吸力式沉箱基礎的有限元計算模型。根據有限元分析，軟土地基上吸力式沉箱基礎的失穩(wěn)破壞機制明顯不同于傳統(tǒng)的重力式基礎或者樁基基礎。當緩慢施加荷載分量時，吸力式沉箱

4、基礎的豎直上拔破壞模式是沿著沉箱內外筒壁所產生的局部剪切破壞，沉箱基礎被單獨拔出，土塞留在沉箱外；水平破壞模式為“單面破壞機制”，沉箱簡后界面與主動側土體之間形成裂縫，筒前土體被擠壓隆起形成被動側破壞楔體，筒底部形成了以簡體中軸線上某點為中心點的圓弧形旋轉破壞面；力矩破壞模式也形成單面破壞機制，轉動破壞中心與水平破壞模式相比有所提升，從而簡前土體被擠壓隆起所形成的被動側破壞楔體變小，筒體周圍形成近似于圓球形的破壞區(qū)域。當快速施加荷載分量

5、時，吸力式沉箱基礎的豎直上拔破壞模式為基礎的整體破壞，沉箱內部產生土塞，筒體底部的土體會隨著沉箱向上一起拔起；水平破壞模式為“雙面破壞機制”，不僅在筒前形成被動側破壞楔體，沉箱筒后界面與主動側土體之間不形成裂縫，在筒后形成了主動側破壞楔體，筒底部形成明顯的圓弧形旋轉破壞面；力矩破壞模式也為雙面破壞機制，轉動破壞中心與水平破壞機制相比有所提升，筒體周圍也形成近似于圓球形的破壞區(qū)域。通過變動參數的對比計算，探討了單調加載條件下沉箱長徑比、強

6、度折減系數、土的抗剪強度、土的變形模量等因素對吸力式沉箱基礎極限抗拔承載力的影響。計算還表明，隨著水平荷載作用點與沉箱基礎底部距離的增加，沉箱基礎水平承載力先增加后減少而呈現拋物線形狀。同時不同的水平荷載位置會使吸力式沉箱基礎發(fā)生不同機制的失穩(wěn)破壞，產生轉動或水平移動破壞模式。 2.針對軟土地基上吸力式沉箱基礎的抗拔破壞機制及極限承載力特性，基于“反向承載力”的觀點建立了吸力式沉箱基礎抗拔極限承載力的三維極限分析上限解法。假定

7、沉箱基礎地基土體的破壞模式是“反向地基承載力”破壞機理，即基礎為整體破壞，在沉箱內部產生土塞，少量土體環(huán)繞粘附在沉箱外壁隨沉箱基礎向上拔出，沉箱底部的反向地基承載力計算采用典型的Prandtl破壞機制。吸力式沉箱基礎地基的破壞區(qū)分為基礎下錐體主動區(qū)、對數螺線變形區(qū)、Rankme被動區(qū)、基礎內的土塞及粘附在簡體外壁的薄層土體五部分。為了驗證所建議的基于“反向承載力”觀點的極限分析上限解法的可行性和有效性，針對飽和均質軟黏土地基，將其計算所

8、得的長徑比L/D=2.0的吸力式沉箱基礎抗拔承載力結果與有限元解及簡化極限平衡解進行了對比，發(fā)現三種計算結果比較吻合，最大誤差不超過10％。進而通過變動參數的對比分析，進一步探討了極限分析上限解與有限元解、極限平衡解的差異。結果表明：在給定土體參數等條件下，變動沉箱長徑比L/D所得到的吸力式沉箱基礎抗拔承載力上限解與有限元解比較一致，而當沉箱長徑比相對較大時，極限分析上限解略大于極限平衡解。在土體各向同性情況下，按照極限分析上限解法計算

9、所得到的吸力式沉箱基礎歸一化抗拔承載力系數對于土體重度、土體不排水抗剪強度的依賴性與有限元分析所得到的規(guī)律是一致的。 3.基于Andersen對于軟黏土所提出的考慮波浪荷載導致的軟土地基循環(huán)軟化效應的循環(huán)強度，建議將循環(huán)強度與Mohr-Coulomb屈服準則相結合，并在大型通用有限元軟件平臺上通過二次開發(fā)，建立了循環(huán)荷載作用下吸力式沉箱基礎的三維有限元計算模型。通過擬靜力數值計算確定了不同循環(huán)荷載分量作用下吸力式沉箱基礎的循環(huán)

10、承載力，并與單調加載作用下的吸力式沉箱基礎的極限承載力進行對比，為工程設計提供了參考依據。通過計算表明：當考慮荷載的變值特征和土體的循環(huán)軟化效應時，吸力式沉箱基礎的承載力會大大降低，而沉箱基礎的失穩(wěn)機制沒有太大變化。吸力式沉箱基礎的循環(huán)承載力與沉箱長徑比、荷載循環(huán)破壞次數、荷載作用點位置等諸多因素密切相關。隨著循環(huán)破壞振次的增加，吸力式沉箱基礎的循環(huán)承載力降低，降低程度趨于平緩。 4.數值實現Swipe試驗方法、固定位移比法及荷

11、載-位移控制方法以搜尋吸力式沉箱基礎的承載力破壞包絡面，以此來探討復合加載模式下吸力式沉箱基礎的承載特性。通過有限元數值計算表明，在不同長徑比和強度折減系數情況下，吸力式沉箱基礎的承載力破壞包絡面形狀基本不變，但其大小發(fā)生變化。在V-M-H三維空間中，吸力式沉箱基礎的承載力破壞包絡面形成一個關于M軸的非對稱的近似l/4橢球體空間曲面。隨著力矩荷載分量的增大；V-H平面上的吸力式沉箱基礎承載力破壞包絡面的形狀和大小均發(fā)生了明顯的變化，當力