水平荷載作用下軟土地基中桶形基礎工作機理及承載性能研究.pdf

1、伴隨著海洋油氣資源開發(fā)向邊際油田的進軍，桶形基礎作為一種新型的海洋平臺結構基礎形式應運而生。其外形上多為底端開口、頂端封閉的倒扣大直徑圓桶。安裝時，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)預定深度完成安裝。施以其相反的過程，桶基便可從土中拔出，運送到其他海域進行循環(huán)再利用。這種新型的基礎形式彌補了傳統(tǒng)的導管架平臺、重力式平臺等固定式淺海結構自重大、工程造價隨水深大幅增加

2、等不足，較適用于軟土地基及惡劣的海洋環(huán)境，被挪威專家譽為“導管架平臺基礎工程技術新時代的曙光”。近年來，我國針對渤海、東海、南海等近海海域油氣資源開發(fā)的力度不斷加大，桶形基礎由于自身所獨有的特點必將在軟黏土地區(qū)海洋平臺的建設中起到不可替代的重要作用。桶形基礎在服役過程中，不僅受到上部平臺結構自重及其設備所引起的豎向荷載的長期作用，還將承受風、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)驗可知，其中水平荷載的承

3、受能力對于桶型基礎的穩(wěn)定性而言則顯得尤為重要。目前，針對水平荷載作用下桶形基礎承載力特性的研究，尚缺乏被廣泛認可的理論體系與計算方法，在我國進行實際的工程應用還需要做大量的準備工作。因此，有必要針對水平加載模式下桶形基礎的變形機理及其承載力特性，開展系統(tǒng)而深入的理論分析與數(shù)值計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的有關設計理論體系與計算方法，為我國海洋平臺桶形基礎的設計與應用提供理論依據(jù)和技術支持。為此，本論文著重圍繞

4、水平荷載作用下軟基上桶形基礎的失穩(wěn)破壞機制及承載力特性等方面進行了探索，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，對單調(diào)水平加載條件下軟土地基中單桶形基礎進行了系統(tǒng)地三維有限元建模分析。
　　 本文采用較為先進的主從接觸對算法來模擬桶體與土體界面之間復雜的力學行為，建立了考慮桶體外表面與土體之間產(chǎn)生裂縫的有限元計算模型，同時考慮了桶體內(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與土體之間的相互作用機制。根據(jù)有限元分析結果可知，處于軟土地基中的單桶形基礎在水平荷載作用下的失穩(wěn)破壞機制為桶基繞泥面以下、基底以上某一點發(fā)生整體轉(zhuǎn)動傾覆破壞，且在此過程中，桶前出現(xiàn)被動破壞楔體，桶后出現(xiàn)桶土脫離現(xiàn)象，這一切均明顯有別于傳統(tǒng)的重力式基礎或樁基礎。
　　 通過二次開發(fā)

6、及變動參數(shù)比較研究，分別探討了土體不排水抗剪強度Su、土體有效重度y1、桶體長徑比L/D、加載點距泥面高度h等因素對軟土地基中單桶形基礎水平承載能力的影響。并將有限元分析所得到的承載力結果及桶壁表面土壓力分布規(guī)律與已有的一些模型實驗進行了定量或定性的比較，從而驗證了本論文所建議的有限元模型及有限元計算結果的合理性。同時也表明，根據(jù)本文有限元分析所得到的軟基中單桶形基礎的失穩(wěn)破壞機制與模型試驗是較為一致的。
　　 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的水平承載力值，將之與已有的現(xiàn)場模型試驗結果進行對比，兩者結果吻合較好，從而驗證了本文所建議的三維極限平衡方法的合理性與可行性，為指導工程實踐提供了一定的理論依據(jù)。
　　

8、 3.考慮到波浪等循環(huán)荷載的作用可能導致海床軟黏土地基發(fā)生強度弱化與剛度退化的循環(huán)軟化效應，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循環(huán)強度模型，并在大型通用有限元軟件ABAQUS平臺上進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了軟黏土地基中單桶形基礎循環(huán)承載力的擬靜力計算。通過計算表明：單桶形基礎在循環(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，單桶形基礎的

9、轉(zhuǎn)動中心明顯偏離了桶體的中軸線，而向桶體受荷側靠近，同時桶體底部的滑動面不再是以單桶形基礎靜載傾覆失穩(wěn)時的轉(zhuǎn)動中心為球心的球面，而可能是一種更為復雜的空間曲面。通過變動參數(shù)比較研究初步表明，單桶形基礎的循環(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，而當埋深及荷載循環(huán)破壞次數(shù)等因素一定時，在不同荷載作用點高度條件下所得到的循環(huán)承載力與對應的靜載極限承載力相比降低程度基本上一致。
　　 4.針對目前對于桶形基

10、礎的探討多集中于單桶形基礎，而較少涉獵需考慮桶間效應的多桶形基礎的研究現(xiàn)狀，本論文以單桶形基礎三維有限元建模分析經(jīng)驗為基礎，對更具有工程背景的四桶形基礎的水平承載能力進行了三維有限元變動參數(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；而當桶間距離B一定時，四桶形基礎的水平承載能力則

11、隨桶間連接剛度的增大而增大，即無連接<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算剛性桶間連接條件下小桶間距與大桶間距四桶形基礎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的水平承載力值，將之與三維有限元分析所得到的結果進行對比，兩者一致性較好，從而驗證了本文