（岩土工程专业论文）水平荷载作用下桶形基础的性状.pdf

施晓春浙江大学博士学位论文 摘要 桶形基础产生_ 丁二十世纪九十年代的挪威，由挪威国家石油公司研制成功，并开始应用 于i 程实践。桶形基础是一种带裙的圆板基础由于其具有减少工程量、节省投资、缩短施 工时间、可重复使用等优点，在某些领域正在逐步替代桩基和重力式基础。桶形基础的应用 为我国在渤海湾软粘土地区的海洋平台建设提供了一条新路。目前对桶形基础在粘性土中的 性状研究几乎是空白。因此，对桶形基础桶体结构的变形机理及其对土体相互作用的研究， 完善其设计和计算方法具有重要的理论意义和工程实践价值，可为我国海洋平台桶形基础的 应用提供理论依据和技术支持。 l 结合中国石油天然气总公司工程技术研究院所承担的总公司课题：“桶式负压桩钢制平 台研究”，本文通过室内外模型试验和有限元数值分析研究在水平荷载作用下桶形基础的性 状。 通过室内外模型试验，研究了桶体变位随外载的变化规律，不同桶体尺寸的桶外前后侧 1 + 压力分布及变化规律。 编制了一套完整的桶形基础三维弹塑性有限元分析程序e a p b f ，其中包括计算网格自动 划分、有限元计算和计算结果后处理。主要采用三维八结点的块体等参元和d r u c k e r - - p r a g e r 模刑，可以在不同材料的交界处设置有厚度的接触面单元，具有前后处理功能，可以实现计 算结果可视化。 采州二= 维弹塑性有限元分析程序与a l g o r 公司的s s a p o h 模块计算结果和室外模型试验 i ：况进行比较，相互验证数值计算和模型试验结果。 根据桶式负压桩基础先导试验平台一工程地质平台方案的设计桶体尺寸，应用二维弹塑 性有限元分忻稗序研究了住水平荷载作用下不同十体特性和桶体结构尺寸对桶体变位、桶体 内外删1 压力分布规律和承载力的影响。 且过对模刑试验卡数值计算结果分忻，对住软粘十地区和深径比不人j il 的桶体承载力 计钟_ 方法进行探讨，提出了一种, t l i 变形控制的简化计算方法，弗与试验结果进行验证。) 关键词：椭形基础，f 压力，承载力，模删试验_ 二维有限元分析，平斜负压 摘要 a b s t r a c t b u c k e tf o u n d a t i o n ( b f ) ，w h i c hi sb o r ni nn o r w a yi nn i n e t i e s ，i sd e v e l o p e da n d u s e di ne n g i n e e r i n g b yn o r w a y s t a t o i l b fi sc i r c u l a rp l a t ew i 血s k i r t sa n di ti sr e p l a c i n g p i l ef o u n d a t i o na n dg r a v i t y f o u n d a t i o ni ns o m e a s p e c t sb e c a u s e i th a v es o m e a d v a n t a g e s ， s u c ha s r e d u c i n ge n g i n e e r i n g ，s a v i n gi n v e s t m e n t ，s h o r t e n i n g c o n s t r u c t i o nt i m ea n d i t e r a t i v eu s e i ti sp o s s i b l et oc o n s t r u c tp l a t f o r mi ns o f tc l a ya r e ao fb o h a lb a y s of a r , t h es t u d i e so fb u c k e tf o u n d a t i o ni ns o f tc l a ya r ea l m o s tn o n e i no r d e rt oo f f e rt h e o r y b a c k g r o u n d a n dt e c h n i c a l s u p p o r t ，i t i s s i g n i f i c a n t t o s t u d y t h em e c h a n i s mo f d e f o r m a t i o no fb fa n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nb fa n ds o i l ，t o p e r f e c tt h ed e s i g n m e t h o d a s s o c i a t e dw i t ht h ep r o j e c t s t u d yo ns t e e lp l a t f o r mw i t hb u c k e tf o u n d a t i o n ，w h i c h i su n d e r t o o kb yr e s e a r c hi n s t i t u t eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y , t h em o d e l t e s t sa n df e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fb u c k e tf o u n d a t i o nu n d e rh o r i z o n t a lf o r c e si s p e r f o r m e d t h ev a r i e t i e so f d i s p l a c e m e n to f b u c k e tw i t hh o r i z o n t a lf o r c e sa n dt h ed i s t r i b u t i o n s a n dv a r i e t i e so fe a r t h p r e s s u r ea l o n gt h e o u t s i d e ro fb u c k e tw i t hd i f f e r e n tb u c k e t d i m e n s i o n sa r es t u d i e db yi n d o o ra n do u t d o o rm o d e lt e s t s a n e l a s t o p l a s t i ca n a l y s i sp r o g r a m f o rb u c k e tf o u n d a t i o n ( e a p b f ) i n c l u d i n gm e s h d i v i s i o n ，f e ma n a l y s i sa n dp o s ta n a l y s i so fc o m p u t e dr e s u l t si sd e v e l o p e db ya u t h o r i t f e a t u r e sf o l l o w i n gp o i n t s ：u s i n g3 d8 - n o d ee l e m e n ta n dd r u c k e r 一p r a g e re l a s t o p l a s t i c s t r e s s - - s t r a i n t h e o r y ，i n t e r f a c e e l e m e n tw i t ht h i c k n e s sc a nb es e t a l o n g i n t e r f a c e b e t w e e nd i f f e r e n tm a t e r i a l z o n e s h a v i n gp r e - & p o s tp r o c e s s o r a n dv i s u a l i z i n gt h e c o m p u t e d r e s u l t s e a p b fh a sb e e nv e r i f i e db yc o m p u t e dr e s u l t so fs s a p o ha n a l y s i sm o d u l ei n a l g o ri n c a n do u t d o o r m o d e lt e s t s a c c o r d i n g t ot h ed i m e n s i o n so f p l a t f o r m u s e dt o e n g i n e e r i n gg e o l o g y r e c o n n a i s s a n c e ，e a p b fh a s b e e nu s e dt o a n a l y z e t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ts o i l c h a r a c t e r i s t i c sa n db u c k e td i m e n s i o n so nb u c k e td i s p l a c e m e n t s ，d i s t r i b u t i o n so fe a r t h p r e s s u r ea l o n g i n s i d ea n do u t s i d eo fb u c k e ta n db e a r i n gc a p a c i t yu n d e rh o r i z o n t a l f o r c e s 施晓春 浙4 太学博士学位论文 a c c o r d i n gt o t h e a n a l y s e so fm o d e lt e s t sa n dc o m p u t e dr e s u l t s ，t h ec a l c u l a t i n g m e t h o do f h o r i z o n t a lb e a r i n gc a p a c i t yo f b u c k e tf o u n d a t i o ni sd i s c u s s e di nt h ec o n d i t i o n t h a tb u c k e ti si ns o f tc l a ya n di t sr a t i oo f h e i g h ta n dd i a m e t e ri sn o tg r e a t e rt h a no n e a n da n a p p r o x i m a t em e t h o d f o r c a l c u l a t i n g h o r i z o n t a l b e a r i n gc a p a c i t yo fb u c k e t f o u n d a t i o ni sp r o p o s e dw h i c hi sw i t hd e f o r m a t i o nr e s t r a i n ta n d c o m p a r e dw i t ho u t d o o r m o d e it e s tr e s u l t s f i n a l l y , a l lt h ew o r ki nt h ed i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e d ，a n dt h eo t h e re x i s t i n 2 p r o b l e m s t ob er e s o l v e da r ed i s c u s s e d , k e yw o r d s ：b u c k e tf o u n d a t i o n ，e a r t hp r e s s u r e ，b e a r i n gc a p a c i t y , m o d e lt e s t ，3 df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，p l a t f o r m ，s u c t i o n 施晓喜浙江大学博士学住论丈 第1 章绪论 1 1 桶形基础的由来和结构特点 1 9 9 4 年7 月，在北海水深为7 0 m 的区域，欧洲管网( e u r o p i p e ) 1 6 l 卜e 大型导管架平台的建成，并投入使用，标志着一种导管架 工程的新技术一一桶形基础的产生。该新型基础主要是由挪威土工 研究所 n o r w e g i a ng e o t e c h n i c a li n s t i t u t e ( n g i ) 】研究成功的。该导 管架平台见图1 1 1 。 由于欧洲管网1 6 1 l e 大型导管架平台的基础外形象一只倒扣 在土中的桶，因此称之为桶形基础。其实它是一种带裙的圆板基础， 故可称之为带裙的片筏基础或裙桩基础，近来也有人称之为板裙基 础。桶形基础具有片筏基础和桩基础的共同特点。自7 0 年代早期 以来，在北海频繁使用带裙的近海结构基础。1 9 7 3 年，菲利普斯 ( p h i l 】i p s ) 石油公司的爱克菲斯克多里斯( e k o f i s kd o r i s ) 储油罐 是第一个重力式的带裙基础结构物。在随后的5 年中，先后在致密 的砂土和超固结粘土上建成了1 2 个重力式的带裙基础结构物，但 这些裙深均不足4 5 m 。这些结构见表1 1 1 。1 9 8 2 年，森培尔 ( s e n p e r e ) 和奥佛根( a u v e r g n e ) 应用负压施工了1 2 根负压桩。1 9 8 9 年4 月，在深海软粘土地区成功地建成了直径为2 0 3 0 m 裙深为2 2 m 的挪威国家石油公司( s t a t o i l ) 的格尔范克斯c ( g u l l f a k sc ) 重力 式平台( 图l1 2 ) 。在同年年底，挪威国家石油公司的首席基础工 程师梯捷尔塔( f o r l n g et e l t a ) 和首席结构 二程帅拔尔海姆( m o r t e n b a r h e i m ) 提出了发展钢导管架桶形基础的新构想。l9 9 2 年4 月在 斯潇拉( s n o r r e ) 油罔水深3 l0 m 的深水区建造了张力腿平台t h e t e n s i o nl e gp l a t f o r m ( t l p ) 1 混凝土基础( 图11 3 ) ，同时在3 3 5 m 的深水区建造了海底f j 艰操作平台f t h es u b s e a s a t e l l i t ep r o d u c t i o n s y s t e m ( s p s ) 1 ( 阁li 4 ) 。随着这。系列基础结构应用负胍的成 功安装，人们刈未来桶彤糕础的施l 方法有了更女f 的理解干认t ! i 。 终于稿：19 9 4 年7 月将桶彤基础苜次应用j ：欧洲管嘲16 1 1 e 平台的 第1 章绪论 建设中，接着又于1 9 9 6 年春天在斯莱纳佛斯特s l t ( s l e i p n e rv e s t s l t ) 天然气处理平台导管架( 图1 1 5 ) 的施工中再次应用桶形基 础作为其基础结构。 表1 1 1 北海混凝土重力式平台( 1 9 7 3 1 9 7 8 ) ( p m a a sa n dk ha n d e l s e n ，1 9 9 2 ) 在此工程发展期间，挪威土工研究所做了大量的研究工作。1 9 8 5 年在北海格尔范克斯油田超过2 2 0 m 水深的区域作了大量的沉入试 验。浚试验结构由两个高为2 3 m 直径为6 5 m 的钢桶组成，分别于 粘性七和中密砂中沉入2 2 m ，记录了大量有关土体摩擦力、土压力 和孔隙水压力的数据。戴维克( r u n ed y v i k ) 、安德森( k n u t h a n d e r s e n ) 和麦德莎斯( c h r i s t i a nm a d s h u s ) 等人( 19 8 9 a ，19 8 9 b ) 对带裙的重力式基础结构在粘性土中进行了静力和动力的室内模型 试验研究，并对承载力、用于动力结构分析的土的弹性刚度、重力 式綦础结构物的周期性位移和风暴引起的沉降计算作出了实验分析 施晓春浙江大学博士学位论文 图i1 1e u r o p i p e i6 1 1 1 - e 平台的导管架 幽1i2g u i i f a k sc 重力式结构 3 第1 章绪论 3 0 6 7 上m 图11 3张力腿平台的吸力锚 _ 上l 鱼毒i 刍鱼童 i i 翻u u 0 埘幽“ 舢嘲嗍洲 ，日m：1 1d m l i i俚，。 li il 幽ii4s n o r r e 油田的海底p 吊操作平台 8 m 1 1 m b m 施晓春浙江大学博士学位论文 图i 15 s l e i p n e rv e s tt 天然气处理平台的导管架 提出了基础结构物的土体破坏模式。戴维克( r u n ed y v i k ) 、安德 森( k n u th a n d e r s e n ) 和汉森( s v e i nb o r gh a n s e n ) 等人( 19 9 3 a ， 19 9 3 b ) 对粘土中的吸力锚进行下沉、静力、动力的现场模型试验 研究分别分析了在静力和动力作用下土体的抗剪强度提出了动 力和静力抗拔力的汁算方法与基础破坏模式。这些试验，仃助j | 理 解桶形基础的工作机理，为桶型基础的施t 和殴汁提供了一定的实 验依扣：。 列r 导管架i f 台而言，桶形基础与传统的桩= l i ；砌相比，有以卜 第1 章绪论 几个优点： ( 1 ) 节省施工安装的费用。由于采用桶形基础，可以节省钢的 用量，同时，施工过程中，采用负压下沉，可加快施工速度，节省 施工时问，从而节省导管架平台的施工安装费用。 ( 2 ) 便于运输和安装，特别是在浅海区。由于浅海区的水深不 足，大型施工机具无法通过运输船运到施工地点，而桶形基础可以 在别处安装，对桶型基础充气，利用其浮力，由驳船将其拖至施工 地点，用浮吊施工完成。 ( 3 ) 能够重复使用。在一处油井的油被开采完后，可以对桶 形基础注压，将桶形基础从土中顶起，由驳船拖到下一开采区，下 沉后继续使用。 ( 4 ) 由于桶形基础的插入深度较浅，因此在设计施工桶形基础 前，只须对浅部土体进行勘察研究。 ( 5 ) 桶形基础的施工时间短，基础稳定性实现较快，便于在海 洋上恶劣气候的间隙施工。 1 2 工作原理 如果将一块长为2 0 m 、宽为2 m 、厚为2 5 m m 的钢板，分别以 h o 6 4 7 8 m n 幽l2 1砂性十中的扳基础 6 士媳慨 施晓吞 浙江太学博士学位论文 ( 1 ) 以垂直于宽厚面的方向垂直地插入土中：( 2 ) 沿宽度方向做 成圆柱状插入土中：( 3 ) 以垂直于长宽面的方向平放在土上：( 图 1 2 1 ，图1 2 2 ) 这三种方式在粘性土或砂性土上承受垂直向外载。 假设粘性土的不排水抗剪强度s 。为1 0 0 k p a ，砂性土的内摩擦角驴 为4 4 。则此钢板在理论上所能承载的垂直荷载：对粘性土，分别 为4 m n 、2 3 m n 和2 0 6 m n ；对砂性土，分别为19 9 m n 、7 8 m n 和6 6 4 m n 。显然，将板平放在土上来承受竖向荷载是最佳的选择。 但此种方式承受水平力的能力很差，无法作为结构物的基础。因此， 为了既有很高的竖向承载力，又有较大的水平承载力，于是就出现 了倒扣入土中的桶形基础。 在桶形基础沉入土中后，就与土体一起抵抗各种环境外力。首 先桶底保持着与土有较大的接触面，使桶形基础能够承受较大的竖 向荷载。桶的裙体部分可以将环境施加在桶体上的水平滑动力传递 到底下更好的土层中去，从而能够承受较大的水平力作用。同时， 由于桶体下沉以后形成的负压( 这一现象在1 9 8 0 年瓦尔哈( v a l h a l l ) 油田导管架的安装过程和1 9 9 3 年格尔范克斯c 重力式平台的地质 4m n x ：h 0 “f n 2 3m n 幽1 2 2 粘性十中的板基础 勘测中均被发现) ( t o r l n g et j e l t a ，l9 9 5 ) 还可以抵抗海水的i + 污 j 作用。 i市垭 第1 章绪论 在桶型基础下沉过程中，需要用泵从桶中抽水，使桶体内形成 足够的负压，以克服桶裙底部的端阻力和桶裙壁的摩擦阻力。因此 在设计桶体时，必须防止由于桶体的内外压过大而导致屈曲变形。 为此，必须选取恰当的尺寸，严格控制下沉时的内外压力差。同时 还可以在桶底内采取加强筋等措施增加桶体的抗屈能力。 1 3 试验理论研究现状 到目前为止，已有两个导管架，采用了桶型基础，并分别于1 9 9 4 年7 月和1 9 9 6 年春天建设成功。在这两个桶型基础导管架的设计 和施工之前，作了大量试验理论研究工作。 1 9 9 2 年1 2 月，在施工地1 6 1 1 1 e 处做了现场试验，其试验内 容主要为单桶模型原位下沉试验、拉拔试验和循环荷载试验。在模 型下沉过程中采用先自重后负压的技术。通过这些试验所得结果见 图1 3 1 。 由图1 3 1 可见，在下沉初期只靠自重下沉时，桶体所受阻力 随着下沉深度的增加而迅速增加。当进入以负压为主的下沉阶段 时，其阻力急剧下降，并随下沉深度的增加而缓慢增加。因此，采 用负压下沉为桶形基础的沉放就位提供了有利的条件，并大大减少 了施工难度。 这一现象是由于桶内负压作用下，产生上下水头差，引起孔隙 水自下而上的运动，形成渗流和水力梯度，使土体受到向上的渗透 力。在此作用下，导致砂层变松，有效应力和抗剪强度降低，从而 使桶体所受的阻力减小。当砂土所受的渗透力等于其自身重力时， 就会产生砂沸现象，使砂粒完全失重，从而导致裙板的端阻力下降 为零。这可以从欧洲管网1 6 1 1 一e 平台桶型基础在负压下沉时沿桶 裙的渗流水力梯度分布图( 图i3 2 ) 上得到印证。最大的水力梯度 产生于桶裙底缘，这是导致桶体所受下沉阻力急剧下降的原因。 依尔( k v a e r n e re a r l ) 和莱特( w r i g h t ) 用非线性程序a b a c u s 刈桶体的下沉过程进行了分析，其分析方法详见文献( m b a r h e i m 等，1 9 9 5 ) 。所用桶体和土的计算模型很简化，特别是土模型。根 掘其分析，计算结果受计算模型的边界条件影响较大。 挪威土工研究所( n g i ) 用有限元程序a b a q u s 对桶体受静力 施晓春浙江大学博士学位论文2 0 0 0 年1 1 月 e 一 例 姥 ；s 止 o o2 0d o6 o8 1 2 14 1 6 f 优m 力( k n ) ，负旭( k p a 0s o1 0 0 1 5 02 9 02 5 0 图1 3 1现场沉入试验 ( a b y e 等，1 9 9 5 ) 0 0 k p a 负压时沿裙深的梯度分布 00 5 ti522s3 幽1 3 2沿裙壁的水力梯度分布蚓 ( ab y e 等，l9 9 5 ) 9 一e u龋龉g蟛嫩骶噬担采 第1 章绪论 作用时的情况进行了分析。计算所用的参数和模型详见文献( ab y e 等，1 9 9 5 ) 。图1 3 3 是有限元计算结果与试验结果的比较。图l3 3 表明当拉拔力的载荷速率增加时，其抗拉承载力明显增高，只有在 作用速率极低的条件下，其承载力和无剪胀性土的相近。这是由于 拉拔力的载荷速率快，土体中产生的超孔隙水压力无法消散，桶内 的土体受孔隙水压力的作用，体积产生膨胀，从而导致其抗拔力的 增大。相反，如果加荷缓慢，超孔隙水压力能够及时得到消散，则 其抗拔力较低。因此，土体中产生的超孔隙水压力是否有时间消散 是基础抗拉承载力大小的关键因素。另一方面，据作者认为，在桶 体的上拔过程中，桶底和土之间出现的孔隙来不及被水充满，从而 垂直位移 图1 3 3 抗拔力：加载速率的影响( a b y e 等i 9 9 5 ) 出现负压，也可能导致抗拉承载力显著增加。 挪威土工研究所在带裙的重力式基础模型试验的基础上，针列 带裙重力式基础提出了一种计算循环荷载作用下基础承载力的方法 ( k n u tha n d e r s e na n dr o l fl a u r i t z s e n ，1 9 8 8 ) ，随后将之推广用 十计算带裙基础在循环荷载作用下基础的承载力和抗拔力。 ，。， 施晓春浙江大学博士学位论文 根据桶型基础模型在循环荷载作用下的破坏模式( 图l3 4 ) ， 提出了一种基础破坏机理，这种机理认为快速的周期性作用引起基 础卜土体孔隙水压力的积累，在桶体外侧产生向上的渗流梯度，最 终导致基础下沉而破坏。 循环荷载 l 静荷投 、 静荷载 jjlj i1 恻 h 如、7 ：o 竺 图134不排水循环荷载作用下的破坏机理 ( a b y e 等，19 9 5 ) 对于孔隙水压力积累的机理，n g i 提出了三种模式。最重要的 一种机理是在动三轴试验中观察到的传统的孔隙水压力积累机理。 第二种机理认为循环荷载引起的应力变化导致土中总应力分布的变 化，此时的超孔隙水压力由两部分组成，一部分由循环荷载作用下 砂土压密产生的，另一部分是由平均应力对土的作用引起的。这是 一种典型的弹塑性材料在循环荷载作用下的结果。这种机理虽然过 去经常被忽视，但在实验中偶而也能见到( g b o u c k o v a l a s ，w a m a r ra n dj tc h r i s t i a n ， 1 9 8 6 ) 。第三种机理是有关裙顶竖向力对 基板的传递作用。这种机理认为只有在其他机理作用下孔隙水压力 积累到一定程度，产生对裙顶阻力破坏之后j 起作用。因此，这是 一种次效应。在对这些孔隙水压力积累机理描述的基础：，提 “了 一种在循环荷载作用下承载力的简化计算方法( ab y e 等，19 9 5 ) 。 挪威土工研究所( n g i ) 在其研究工作中用试验和极限平衡分 析疗法研究桶形基础的承载力问题( g u d m e s t a da n dk v a ls t a d ， 19 9 9 ) 。为此提小了各种破坏面的极限平衡模型。幽13 5c i t 【& 小的 足深径比小于2 的各种破坏面，其中有些已在试验- p 现。他们认 为一般情况下水、f 力、垂直力和弯矩共同作用下将出现c a r l 和 第1 章绪论 图1 3 5 可能的破坏面( 深径比小于2 ) i 彳 身一 7g 一 | a ：十j 始廊山、女 。月g # d c d ：破坏成力 幽141不排水抗剪强度准则 ( a b y e 锋，l 9 9 5 ) 2 、 浙江大学博士学位论文 c a r v 破坏面。在大弯矩作用下可能出现c a r v 破坏面。在垂直力 和沿深度增加的剪应力作用下将出现h c a p 破坏面。在大水平力和 或裙底水平下为坚硬的土层时将出现h c a p 破坏面。 1 4 设计方法 目前，桶基基础的设计没有设计规范。整个设计均是结合现场 模型试验和有限元分析进行的。设计内容主要包括施工、结构和土 工技术这三方面。以欧洲管网1 6 1 1 e 为例进行说明。 1 4 1 土工技术方面的设计 桶的承载力根据土中的不排水抗剪强度概念分析。在桶体周围 土的不排水抗剪强度根据有效应力分布和有效应力强度参数计算： 矿盯f g 纯 ( 1 4 1 ) 对于任意平面旺的不排水抗剪强度值由图1 4 。l 的定义计算： 耳f s t g 纯+ f t g ( o c o s 2 ( o r - 句+ a t + t g o ( 2 d + c o s 2 ( 仞) ( 1 4 2 ) 这里的是平面口上的抗剪强度：s 是初始平均有效应力；c o 1 是不排水内摩擦角：，是初始剪应力；口是剪平面的倾角；缇主应 力的转角：加是剪应力的变化值。 对于特殊分析，这有效应力( s 和t ) 根据以下三个方面进行 修正： 在设计风暴期间孔隙水压力的积累：设计荷载循环引起的 孔隙水压力：以上这两种孔隙水压力的消散。 桶的承载力应用滑动面法( s l i ps u r f a c et y p em e t h o d ) 分析， 如图1 4 2 ，外力均简化到桶裙顶端，考虑主动被动土压力和桶裙 摩擦力。在计算时应遵循的原则有以下几条：将圆形桶基转化为 矩形；对长期荷载采用排水条件：环境外力简化到裙底，扣除 土对裙墙的作用力：对环境荷载计算时采用不排水条件：将裙 底的荷载作用在有效的基础范围内；被滑动面包围的土体划分成 几个三角形单元：反复计算各三角形单元的平衡真到平衡剪应力 被确定。 不排水条件下孔隙水压力的产生、积累和消敞均由一维固结的 有限元程序计算。在此h 算中所采用的是安德森( k n u th a n d e r s e n ) 利劳利森( r o l fl a u r i i z s e f i ) 的技术( 19 8 8 ) 。通过汁算表明，住风 第l 章绪论 暴期间，大约在2 5 不排水条件的孔隙水压力被残留了下来。在滑 动面上中间有效应力相应减少4 ，这将导致抗拉压承载力的降低， 见图14 3 。 在循环荷载作用下的孔隙水压力由二维的有限元程序分析，确 定在排水条件下结构自重引起的有效应力分析和在不排水条件下环 n o h o v f l c 。川 b 。? v l 图1 4 2滑动面的儿何尺寸和所受的力 境荷载引起的总应力变化。在不排水条件下孔隙水压力幅值根据捷 柑( n j a n b u ，1 9 7 9 ) 的方法计算。这个计算结果表明在滑动面上的 孔隙水压力降低量大致在4 2 0 之f b j 。这个降低量的平均值1 0 用于承载力修正，显然，这会引起计算抗压能力偏高而抗拉能力偏 低。因此，用上面的方法所得的抗压力和抗拉力须通过修诈剪胀系 4 - 压 vo ho 施晓春浙江大学博士学位论文2 0 0 0 年1 1 月 数d 来修正。 1 4 2 结构设计方面 导管架根据荷载阻力因子设计规范( l o a da n dr e s i s t a n c ef a c t o r d e s i g nf o r m a t ( l r f d ) ) 中的n p d 规则设计。考虑到基础所受的环 幽1 4 3 孔隙水压力的消散( a b y e 等，1 9 9 5 ) 境力，在设计中应考虑拉力荷载。扳裙基础的结构设计比较直接， 裙墙厚度由安装要求决定。在设计中静力和疲劳这两方面的考虑是 很重要的。在设计桶内梁时，假设全部竖向力均由裙体承受。同时， 对板、梁和导管腿用有限元程序进行疲劳设计。 1 4 , 3 施工设计方面 在施工方面，对桶基结构而占，应考虑以下f i 个方面： 在桶基接棚 海底之前，由 i 导铅架向i ：快迷浮动引起桶内的 ：负j 压，这主要是安装船运动引起的： 在负压下沉阶段，桶裙内的高负j _ l 、； 第1 章绪论 在接触海底时，水平运动引起的桶裙刮擦力： 在负压下沉阶段，作用在桶裙和导管架上的力，这由装配允 许：误差引起的： 在下沉过程中，特别是在下沉最后阶段，由于是晃动引起的 作用在桶基和导管上的力。 在桶基接触海底时，应考虑浮吊的运动、波浪动力作用和桶基 接近海底时的阻尼效应。在安装时设计浪高为1 5 m 。并假设在桶基 沉入深度达0 5 m 时其运动为零。 桶体下沉时，其下沉力必须等于或稍大于其受到的阻力。因此， 必须满足下面的关系式： + d 卵彳r( 1 4 3 ) 式中，矽为桶体的自重；d s p 为裙内水体的压力差，如相对与 桶外水压的桶内负压；a 为一个桶的面积，d s p a 等于负压的下 沉力；月为作用在裙体上的总沉入阻力，包括裙壁的摩擦力和裙顶 阻力。 其中是桶体上荷载分布的函数，受泵的排水率影响；d s p 受泵的排水量影响；r 受自重和负压影响。 桶体的下沉阻力与下沉深度的关系曲线见图1 4 4 。 1 5 施工方法 桶形基础的施工方法主要有以下几个步骤： ( 1 ) 将导管架( 带桶型基础) 从驳船上放入水中，下沉至与海 底土体接触。此过程中应防止出现桶体在接触地面时的上下跳动和 减小与地面的刮擦作用。 ( 2 ) 在导管架和桶体的自重作用下自由下沉。 ( 3 ) 在桶型基础上加重物，并在此重物的作用下下沉，此时应 严格控制其下沉速度和下沉深度，以使桶体密封。注意：如果桶体 在自重的作用下能够使其密封则此步骤可省。 ( 4 ) 抽出桶体内的水，在桶体内形成负压，并在负压下下沉至 设计深度，此时要严格控制桶内压力和桶的下沉速度，以防桶内土 体破坏而隆起。 施晓春浙江大学博士学位论文 2 0 0 0 年1 1 月 白重 加 图1 4 4自重和负压对下沉阻力特性的影响 ( t f t j e r a 1 9 9 5 ) 1 6 研究课题的工程背景和意义 目前我国滩海地区建造的平台，其基础有桩基和重力坐底式两 种。桩基钢制平台在制造安装就位中存在用钢量大、施工难度高、 难于重复使用、费用高昂等缺点。而重力坐底式基础只有当钢筋混 凝土浇注量达到相当大的体积才能形成靠重力稳定的目的，而且防 冲刷的施工费用很大。为了降低平台造价，加快滩海油气田开发建 、发，探索和歼发新的基础技术已成为当前的迫切任务。挪威国家石 汕公司研制出的新型基础一一桶形基础，不但使平台的重量大为减 轻，而且使施工时叫和费用大为减少，同时又能实现平台的移位和 。藕复使用的目的，因此这种基础在某些领域正在逐步替代桩基和重 力舷底式基础。 由于我国渤海湾地区的上质与捌i 威海域的l ：质柯较火的差别。 7 这些地区分们蓿大量的软粘七，这些软粘1 i 具有j 岛含水鞋、低渗 第1 章绪论 透性、高压缩性、抗剪强度低等特性，并且分布层很厚。在这些地 区修建工程建筑物，大多要对这些土层进行处理或采用桩基础，这 时的桩基础必须穿透整个土层，从而工程量很大，投资巨大，施工 时间长，桶形基础所具有的诸多优点为在这些地区施工减少工程 量、节省投资、缩短施工时间提供了一条新路。因此，桶形基础在 粘性土地区特别是滩海淤泥和淤泥质粘土地区的工程应用有着广阔 的前景。为了实现桶形基础在我国沿海地区应用，中国石油天然气 总公司将桶形基础在浅海平台中应用的关键技术列入重点科技攻关 课题。 在我国的渤海湾地区孕藏着大量的石油资源，但渤海湾的鹾部 沿岸，分布着广泛的滩涂和浅滩，这些地区的土质大部分为软粘土， 同时，这些海域大部分涨潮水深不超过2 米，有的更浅，这造成了 许多勘察设备无法进入该地区，勘察工作十分困难，为该地区的海 上工程设计造成了困难。由于桶形基础除了以上优点外，还有便于 起升、下沉和漂浮等特点，可以帮助勘察设备进入该地区。中国石 油天然气总公司工程技术研究院和大港油田集团勘察设计研究院结 合总公司的重点课题先行研制用于浅水域勘察的工程地质平台。 在理论上，由于在北海地区应用桶形基础的导管架平台多处于 中密砂和致密砂的分布地区，因此挪威土工研究所所进行的试验和 理论研究多是针对砂性土的，而对桶形基础在粘性土中的特性研究 几乎是空白，桶形基础在这方面的研究有待于进一步的深入，从而 为桶形基础在粘性土区的应用提供理论依据。因此，对桶形基础的 桶体结构的变形机理及其对土体相互作用的研究，完善其设计和计 算方法具有重要的理论意义和工程实践价值。 1 7 论文工作的主要内容 本文工作结合中国石油天然气总公司工程技术研究院承担的总 公司技术课题：“桶式负压桩钢制平台研究”。通过模型试验和数值 分析研究，了解在各种工况和影响因素下，桶体内外侧土压力的分 斫i 规律，桶体承载力的变化规律，桶体变位模式以及桶土相互作用 规律。具体工作将有： 1 首先了解桶形基础的山来，了解和研究桶形基础的结构特 施晓春浙江大学博士学住论文 点和施工方法、国外的试验理论研究现状以及该种基础在 国内的应用前景和急需解决的问题。 2 进行室内外模型试验。首先确定桶形基础在我国渤海湾地 区应用的适应性，由于国外该种基础主要应用在砂性土中， 能否在我国的粘性土中应用和实现有待于研究。其次研究 在外载作用下随桶体尺寸不同桶体外侧土压力的分布规 律，探讨桶土相互作用的破坏机理。 3 编制了一个进行三维弹塑性分析的有限元程序e a p b f f o r ， 该程序可进行线弹性和弹塑性三维有限元分析，在弹塑性 模型中主要采用d r u c k e r - - p r a g e r 模型。可以在不同材料的 交界处设置有厚度的接触面单元。考虑到三维有限元计算 的数据处理工作量较大，编制了前后处理模块p r e - e a p b f f o r 和p o s t e a p b f ，f o r ，实现计算结果可视化，能够直观地观察 研究桶土的相互作用性状。 4 通过与a l g o r 公司的s s a p o h 模块计算结果比较，验证程 序弹性计算的正确性。通过对室外模型试验工况进行数值 分析，相互验证模型试验与数值分析结果。随后根据桶式 负压桩基础先导试验平台一工程地质平台方案的设计桶体 尺寸进行数值分析研究，给出不同桶土相对刚度、不同土 质条件和桶体结构尺寸等影响因素下桶体变位、桶体内外 侧土压力的分布规律以及对承载力的影响。 5 根据以上试验和数值分析计算，对软粘土地区和深径比不 大于1 的桶体承载力的计算方法进行探讨，提出一种用变 形控制的简化计算方法，并与模型试验结果进行比较。 6 总结全文工作，提出有待于进一步研究的问题。 第2 章桶形基础的模型试验研究 第2 章桶形基础的模型试验研究 2 1 试验环境描述 2 1 1 室内土模制各 室内试验在长宽高分别为2 5 m 、2 5 m 、1 7 m 的泥池中进 行，故需在泥池中制备用于试验的土体模型。制备土体模型 的土取自大港滩海的淤泥质粘土。由于在取土和运土过程中 大量失水导致土体结块，故首先将取来的土体捣碎，每次将 5 0 k g 土体放入搅拌机中，加水搅拌，时间约为2 0 m i n ，搅拌 幽2 11 设备布置俯视图 出水口 泥池壁 塑料排水板 集水管 完后将土倒入泥池中。这样逐次将土加入泥池中，直至泥池 中土体的深度达14 m 。泥池土体的固结采用真空预压法。在 泥池中平均问隔8 0 c m 们臀插入排水板，深度为14 m 。其卜 放胃曼字形的集水管，h 1 宁的边k 为2 m ，j ：甬】枷设 啊料薄膜，们置简图见图2l1 和图212 。其真卒压力值维 施晓春浙江大学博士学位论文 持在8 0 k p a ，持续时间为4 8 7 2 h 。终止指标为土体的含水量 图2 1 2 设备布置侧视图 泥面 集水管 塑料排水板 在5 0 6 0 之间。 2 1 2 滩海试验环境描述 在渤海湾的西部沿岸，分布着广泛的滩涂和浅滩。室外 模型试验在距人工海堤5 m 的区域进行，该地区退潮时为滩 地，高潮时水深为0 5 0 6 m 。该淤泥质粘土的重度p = 17 6 k n m 3 ，含水量= 3 9 2 。 2 2 试验模型及布置 室内试验采用的模型是厚为1 0 m m 、直径为5 0 0 m m 、高 为8 0 0 m m 的有机玻璃桶；室外试验采用的模型是厚为l0 m m 、 直径为5 0 0 m m 、高分别为3 0 0 m m 、5 0 0 m m 、8 0 0 m m 的3 个钢 桶。试验目的主要是研究桶体两侧外部土压力的分布规律。 为了能真实地按实际情况对桶体进行加载，在桶顶用角钢和 厚为】o m m 钢板焊接了加载架。在室内试验时，在加载轴线 的桶体外部两侧沿深度方向分别均匀布置5 个二i 二压力盒，往 桶体两侧加载轴线上各布置一个数字式位移传感器，以测量 桶顶的位移。室内试验布置简图见图2 21 和图222 。在室 外试验时，对于桶深分别为5 0 0 m m 、8 0 0 r a m 的梭型，扫：加钱 再制u 第2 章桶形基础的模型试验研究 ( a ) 立面图 图2 2 1 室内模型试验立面布置示意图 轴线的桶体外部两侧沿深度方向分别均匀布置5 个土压力盒： 对于桶深为3 0 0 m m 的模型，在加载轴线的桶体外部两侧沿深 度方向分别均匀布置4 个土压力盒。在桶顶两侧加载轴线上 也各布置一个数字式位移传感器，以测量桶顶的位移。室外 试验桶体布置图与室内的相似。 ( b ) 俯性| 璺i 幽22 2 室内模型试验俯视布置示意剀 施晓春浙江大学博士学位论文 2 3 试验仪器及试验过程 考虑到桶形基础在实际情况中所受外力均通过上部结构 传递过来，如对于导管架平台，外荷载如流荷载、冰荷载和 波浪荷载均作用在导管架上，通过导管架才作用在桶体上， 故加外载通过在桶项加力架上旅加水平力来实现。在试验中 二组室内试验和三组室外试验用反力架、千斤顶组成的加力 系统对桶体施加水平推力，并用压力传感器测出加在试验桶 体上的水平推力；其余三组室内试验和六组室外试验用反力 架、滑轮、钢丝绳组成的加载系统对试验桶体施加水平拉力， 并用拉力传感器测出加在试验桶体上的水平力。 土压力的试验数据采集使用日本产的采集速度快、精度高 的u c a m 7 0 a 静态应变仪，对于零点漂移，能够自动调节平 衡。u c a m 一7 0 a 静态应变仪自身能同时开设7 0 个通道，另外 可通过接扩展箱增加可采集数据的通道数。可快速记录不同 时刻的试验数据，也可选择设定一定时间间隔自动记录，无 须人工操作。所采集的数据可以利用其内设的打印机打印出 来。荷载和位移的数据采集使用丹麦产的j c q 一5 0 2 型静载试 验仪，能同时开设两个荷载通道和四个位移通道，可同步显 ! 片2 3 1 采集仪器布置图 第