桶形基礎(chǔ)沉貫吸力值確定及其承載性狀的研究.pdf

1、桶形基礎(chǔ)是一種上端封閉、底端開口的新型海上基礎(chǔ)，其外形類似于倒置的水桶，以其施工簡捷、造價低和可回收利用的優(yōu)點(diǎn)被用作海上風(fēng)電塔架的基礎(chǔ)。桶形基礎(chǔ)的安裝主要分為兩個階段：首先打開頂板上的排水閥門，基礎(chǔ)在自重的作用下沉貫至一定深度；然后，關(guān)閉頂板上的排水閥門，抽出桶內(nèi)密封的水體，產(chǎn)生負(fù)壓吸力將基礎(chǔ)繼續(xù)沉貫至設(shè)計(jì)深度。本文采用理論分析和模型試驗(yàn)的方法，研究了砂土中桶形基礎(chǔ)沉貫吸力的解析方法、土塞的產(chǎn)生機(jī)理、桶形基礎(chǔ)的豎向極限承載力、桶形基礎(chǔ)拔

2、出引起泥面沉陷特性以及桶形基礎(chǔ)水平單調(diào)承載失效機(jī)制等問題。借助模型試驗(yàn)結(jié)果和已發(fā)表文獻(xiàn)中的實(shí)例數(shù)據(jù)對解析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　?。?）針對桶形基礎(chǔ)沉貫過程中桶壁端阻力的計(jì)算問題，通過分析了桶端部土體的極限應(yīng)力狀態(tài)，在桶壁端部構(gòu)造滑移線場，依據(jù)滑移線理論推導(dǎo)了桶壁端阻力的解析表達(dá)式。進(jìn)而得到了桶形基礎(chǔ)總的沉貫阻力，依據(jù)桶形基礎(chǔ)豎向的靜力平衡條件得到最小吸力值的解析式。另外，基于桶內(nèi)砂土管涌破壞機(jī)制求解了桶形基礎(chǔ)

3、沉貫最大吸力值的表達(dá)式。當(dāng)最大和最小吸力值相等時，得到桶形基礎(chǔ)的最大可沉貫深度。
　　（2）吸力除了可能引起桶內(nèi)土體發(fā)生管涌破壞之外，還可能引起桶壁端部土體發(fā)生塑性破壞，桶壁端部桶外側(cè)的土體流入桶內(nèi)部，導(dǎo)致土塞加速隆起，與此對應(yīng)的吸力值稱為臨界吸力值。通過分析桶壁端部土體的極限應(yīng)力狀態(tài)，在桶端部構(gòu)造了滑移線場，在桶壁端部所處的水平面上，基于滑移線理論建立了作用在桶壁內(nèi)、外側(cè)土體上豎向應(yīng)力之間的關(guān)系式，求解了臨界吸力值解析表達(dá)式。<

4、br>　　（3）桶形基礎(chǔ)的豎向承載力主要由桶壁內(nèi)、外側(cè)的摩阻力、桶壁端部的承載力和桶內(nèi)土體對頂板的支撐力提供，而桶形基礎(chǔ)的直徑、高度及埋深都影響著上述各部分力的大小。針對桶形基礎(chǔ)豎向極限承載力大小的問題，將桶內(nèi)土體與桶形基礎(chǔ)視為一個整體進(jìn)行分析，基于滑移線理論求解了桶形基礎(chǔ)底部土體的極限承載力的解析表達(dá)式，與桶壁外側(cè)摩擦力以及桶壁端阻力公式聯(lián)立，得到了桶形基礎(chǔ)豎向極限承載力的解析表達(dá)式。
　?。?）基于桶形基礎(chǔ)拔出時地基發(fā)生反向承

5、載破壞機(jī)制，確定了塑性區(qū)各個部分土體的極限應(yīng)力狀態(tài)，分析了地基中潛在滑移線的形態(tài)，求解了塑性區(qū)的邊界滑移線在極坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而依據(jù)塑性區(qū)各個部分之間的幾何關(guān)系計(jì)算了泥面沉陷范圍的數(shù)學(xué)表達(dá)式。另外，依據(jù)塑性流動土體的體積守恒定律，求解了沉陷范圍內(nèi)泥面沉陷量的解析表達(dá)式。
　　（5）通過模型試驗(yàn)研究了桶形基礎(chǔ)水平單調(diào)承載的失效機(jī)制，分析了地基中破壞面分別在桶形基礎(chǔ)直徑和圓周方向上的形成和發(fā)展規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：桶形基礎(chǔ)圍繞桶內(nèi)部

6、一點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動失穩(wěn)破壞，轉(zhuǎn)動中心位于基礎(chǔ)對稱軸上，距離泥面2/3h（h為桶形基礎(chǔ)的高度）；泥面附近桶前側(cè)的土體中的破壞面隨著加載位移的增加以對數(shù)螺旋線的變化規(guī)律向泥面延伸，引起泥面隆起，隆起區(qū)邊界距桶壁距離為3R（R為桶形基礎(chǔ)的半徑）；泥面附近桶后側(cè)的土體發(fā)生楔體破壞，泥面產(chǎn)生沉陷，沉陷區(qū)邊界距桶壁的距離為R/2；在距泥面1/3桶高深度以下的土體中，桶壁兩側(cè)及桶底部土體整體形成球形破壞面；在與主變形面成θ角的變形面內(nèi)，泥面的隆起和沉陷區(qū)域