（岩土工程专业论文）水平荷载作用下软土地基中桶形基础工作机理及承载性能研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 伴随着海洋油气资源开发向边际油田的进军，桶形基础作为一种新型的海洋平台结 构基础形式应运而生。其外形上多为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径圆桶。安装时， 首先依靠桶体自重使其部分地插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内的空气，利用内 外压力差，将桶基逐步压入至海床内预定深度完成安装。施以其相反的过程，桶基便可 从土中拔出，运送到其他海域进行循环再利用。这种新型的基础形式弥补了传统的导管 架平台、重力式平台等固定式浅海结构自重大、工程造价随水深大幅增加等不足，较适 用于软土地基及恶劣的海洋环境，被挪威专家誉为“导管架平台基础工程技术新时代的 曙光”。近年来，我国针对渤海、东海、南海等近海海域油气资源开发的力度不断加大， 桶形基础由于自身所独有的特点必将在软黏土地区海洋平台的建设中起到不可替代的 重要作用。桶形基础在服役过程中，不仅受到上部平台结构自重及其设备所引起的竖向 荷载的长期作用，还将承受风、波浪、潮流、冰等所引起的水平荷载、力矩荷载的共同 作用。而根据已有的工程经验可知，其中水平荷载的承受能力对于桶型基础的稳定性而 言则显得尤为重要。目前，针对水平荷载作用下桶形基础承载力特性的研究，尚缺乏被 广泛认可的理论体系与计算方法，在我国进行实际的工程应用还需要做大量的准备工 作。因此，有必要针对水平加载模式下桶形基础的变形机理及其承载力特性，开展系统 而深入的理论分析与数值计算等方面的综合研究，发展并完善深厚软黏土地基上桶形基 础的有关设计理论体系与计算方法，为我国海洋平台桶形基础的设计与应用提供理论依 据和技术支持。为此，本论文着重围绕水平荷载作用下软基上桶形基础的失稳破坏机制 及承载力特性等方面进行了探索，主要研究工作包括以下诸方面： 1 基于大型通用有限元分析软件a b a q u s ，对单调水平加载条件下软土地基中单 桶形基础进行了系统地三维有限元建模分析。 本文采用较为先进的主从接触对算法来模拟桶体与土体界面之间复杂的力学行为， 建立了考虑桶体外表面与土体之间产生裂缝的有限元计算模型，同时考虑了桶体内表 面、桶体顶面及桶体底面与土体之间的接触特性，避免了传统有限元分析中较少考虑桶 体外表面与土体之间产生裂缝现象或者较少考虑桶体内表面与土体之间的摩擦接触特 性的不足，从而较为全面且合理地反映了单桶形基础与土体之间的相互作用机制。根据 有限元分析结果可知，处于软土地基中的单桶形基础在水平荷载作用下的失稳破坏机制 为桶基绕泥面以下、基底以上某一点发生整体转动倾覆破坏，且在此过程中，桶前出现 被动破坏楔体，桶后出现桶土脱离现象，这一切均明显有别于传统的重力式基础或桩基 础。 水平荷载作用下软土地基中桶形基础工作机理及承载性能研究 通过二次开发及变动参数比较研究，分别探讨了土体不排水抗剪强度品、土体有效 重度矿、桶体长径比l d 、加载点距泥面高度h 等因素对软土地基中单桶形基础水平承 载能力的影响。并将有限元分析所得到的承载力结果及桶壁表面土压力分布规律与已有 的一些模型实验进行了定量或定性的比较，从而验证了本论文所建议的有限元模型及有 限元计算结果的合理性。同时也表明，根据本文有限元分析所得到的软基中单桶形基础 的失稳破坏机制与模型试验是较为一致的。 2 根据三维有限元分析所得到的水平荷载作用下软黏土地基中单桶形基础失稳破 坏模式及作用于桶壁上的土压力分布规律，基于三维极限平衡原理，本文提出了一种适 用于工程中估算软黏土地基中单桶形基础水平承载力的三维极限平衡方法。利用本文提 出的极限平衡方法，可以很方便地求得软黏土地基中单桶形基础的水平承载力值，将之 与已有的现场模型试验结果进行对比，两者结果吻合较好，从而验证了本文所建议的三 维极限平衡方法的合理性与可行性，为指导工程实践提供了一定的理论依据。 3 考虑到波浪等循环荷载的作用可能导致海床软黏土地基发生强度弱化与刚度退 化的循环软化效应，基于a n d e r s e n 等所提出的软黏土循环强度概念，建议了非线性弹 塑性循环强度模型，并在大型通用有限元软件a b a q u s 平台上进行二次开发，实现了 软黏土地基中单桶形基础循环承载力的拟静力计算。通过计算表明：单桶形基础在循环 荷载作用下的失稳破坏形态及地基中的等效塑性应变分布与单调荷载作用下的极限破 坏状态是存在一定差异的。在循环失稳状态下，单桶形基础的转动中心明显偏离了桶体 的中轴线，而向桶体受荷侧靠近，同时桶体底部的滑动面不再是以单桶形基础静载倾覆 失稳时的转动中心为球心的球面，而可能是一种更为复杂的空间曲面。通过变动参数比 较研究初步表明，单桶形基础的循环承载力与埋深、荷载作用点高度及荷载循环破坏次 数等诸多因素密切相关，而当埋深及荷载循环破坏次数等因素一定时，在不同荷载作用 点高度条件下所得到的循环承载力与对应的静载极限承载力相比降低程度基本上一致。 4 针对目前对于桶形基础的探讨多集中于单桶形基础，而较少涉猎需考虑桶间效应 的多桶形基础的研究现状，本论文以单桶形基础三维有限元建模分析经验为基础，对更 具有工程背景的四桶形基础的水平承载能力进行了三维有限元变动参数比较分析。主要 参数包括：桶间距离b ( 小桶间距、小桶间距) 、桶间连接刚度( 无连接、弹性连接、 刚性连接) 。由分析可知，同等条件下，四桶形基础的水平承载能力随桶间距离b 的增 大表现出先增大后近似恒定的变化趋势；而当桶间距离曰一定时，四桶形基础的水平承 载能力则随桶间连接刚度的增大而增大，即无连接 弹性连接 刚性连接。 5 根据三维有限元分析所得到的水平荷载作用下软黏土地基中四桶形基础的失稳 破坏模式，基于塑性极限分析原理，分别提出了适用于计算刚性桶间连接条件下小桶间 大连理工大学博士学位论文 距与大桶间距四桶形基础水平承载力的三维极限分析上限解法。利用本文提出的三维极 限分析上限解法，可以很顺利地求得软黏土地基中四桶形基础的水平承载力值，将之与 三维有限元分析所得到的结果进行对比，两者一致性较好，从而验证了本文所建议的三 维极限分析上限解法的合理性与可行性。 关键词：桶形基础；水平承载力；有限元法；极限平衡法；极限分析法 水平荷载作用下软土地基中桶形基础工作机理及承载性能研究 a s t u d yo nw o r k i n gm e c h a n i s ma n db e a r i n gc a p a c i t yp e r f o r m a n c eo f b u c k e tf o u n d a t i o ni ns o f tg r o u n du n d e rl a t e r a ll o a d s a b s t r a c t a san e wt y p eo ff o u n d a t i o ni ns h a l l o ww a t e r ，b u c k e tf o u n d a t i o ne m e r g e si nt h en e e do f e x p l o r a t i o no fb o u n d a r yo i lf i e l d s n 坨b u c k e ti sal a r g ed i a m e t e rc y l i n d e r , o p e n e da tt h e b o t t o ma n dc l o s e da tt h et o p i ti su s u a l l yi n s t a l l e db ya p p l y i n gu n d e r p r e s s u r et oi t si n t e r i o r a f t e ri ti sa l l o w e dt op e n e t r a t eu n d e ri t so w nw e i g h t t a k i n gt h er e v e r s ep r o c e s s ，t h eb u c k e t w i l lb ep u l l e do u ta n dt r a n s f e r r e dt oo t h e rs e aa r e a sf o rr e c y c l e t h i sn e wk i n do ff o u n d a t i o n m a k e su pt h ed e f e c t so ft r a d i t i o n a lg r a v i t yf o u n d a t i o na n dp i l ef o u n d a t i o n ，w h i c hh a sg r e a t g r a v i t ya n dc a u s e sh i g he n g i n e e r i n gc o s t i ti se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rc o m p l e xc o n d i t i o n ss u c h a ss o f tc l a yg r o u n da n dw o r s es e ae n v i r o n m e n t s t h e r e f o r e ，b u c k e tf o u n d a t i o ni sp r a i s e da s t h ed a w no fs k i r t e df o u n d a t i o nb yn o r w a ye x p e r t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a l m a r i n ee x p l o i t a t i o n si nb o h a i ，d o n g h a ia n dn a n h a i ，b u c k e tf o u n d a t i o nm u s th a v ea n e x t e n s i v ep r o s p e c ti nt h ef u t u r eb e c a u s eo fi t so w na d v a n t a g e s d u r i n gw o r k i n gp r o c e s s ， b u c k e tf o u n d a t i o ni sn o to n l ys u b j e c t e dt ot h el o n g t e r ma c t i o no fv e r t i c a ll o a di n d u c e db ya l l w e i g h t so fp l a t f o r ma n de q u i p m e n t , b u ti sa l s oi m p o s e db yl a t e r a ll o a d sa n dm o m e n t sc a u s e d b yw i n d ，w a v e ，c u r r e n ta n di c e a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e ，t h el a t e r a lb e a r i n g c a p a c i t yi sm o r ei m p o r t a n tt ot h es t a b i l i t yo fb u c k e tf o u n d a t i o n s s of a r ，t h es t u d i e so fb e a r i n g c a p a c i t yb e h a v i o ro f b u c k e tf o u n d a t i o ni ns o f tg r o u n ds u b j e c t e dt ol a t e r a ll o a d sh a v eb e e nn o t c l a r i f i e dw e l la n dt h e r ea r eal o to fw o r k sn e e d e dt ob ed o n ef o re n g i n e e r i n gu s e t h e r e f o r e ，i t i sm u c hn e c e s s a r yt oe x a m i n et h ew o r k i n ga n df a i l u r em e c h a n i s mo f b u c k e tf o u n d a t i o nu n d e r l a t e r a ll o a d si no r d e rt of i n do u te f f e c t i v em e t h o d sf o re v a l u a t i n gt h el a t e r a lb e a r i n gc a p a c i t y o fi ti ns o f tg r o u n d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , s t u d i e sa r ee m p h a s i z e do nn u m e r i c a lm e t h o d sf o r e v a l u a t i n gt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n df a i l u r em e c h a n i s mo fb u c k e tf o u n d a t i o ni ns o f tg r o u n d u n d e rl a t e r a ll o a d s 1 1 1 em a i ni n v e s t i g a t i o n sc o n s i s to ft h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 b a s e do nt h eg e n e r a l p u r p o s ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp a c k a g ea b a q u s ，t h ef i n i t e e l e m e n tc o m p u t a t i o n a lm o d e lf o rs i n g l e - b u c k e tf o u n d a t i o ni ns o f tg r o u n du n d e rl a t e r a ll o a d s i se s t a b l i s h e d i no r d e rt oe x a m i n et h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro nt h e i n t e r f a c e sa n de s t a b l i s haf i n i t e e l e m e n tm o d e lt h a tc o n s i d e r i n gt h ep o t e n t i a lc r a c ka ta c t i v ez o n ei ns o f tg r o u n du n d e rl a t e r a l l o a d s ，t h ea d v a n c e dm a s t e r - s l a v e rc o n t a c tp a i ra l g o r i t h mi su t i l i z e d a tt h es a m et i m e ，f r i c t i o n c o n t a c tb e t w e e nt h ei n n e rs u r f a c e ，t h et o ps u r f a c ea sw e l la st h eb o t t o ms u r f a c eo fb u c k e ta n d n e i g h b o r i n gs o i ls u r f a c e si sc o n s i d e r e d t h e r e f o r e ，t h ed e f i c i e n c y o fc o n v e n t i o n a lf i n i t e i v 大连理工大学博士学位论文 e l e m e n ta n a l y s i sw h i c hs e l d o mc o n s i d e r st h ep o t e n t i a lc r a c kb e t w e e nt h eo u t e rs u r f a c ea n d s o i ls u r f a c eo rl e s st a k e sa c c o u n to ft h ef r i c t i o nc o n t a c tb e t w e e nt h ei n n e rs u r f a c ea n ds o i l s u r f a c ei sa v o i d e da n dt h ed e t a i l e ds o i l s t m c t u r ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mc a r lb es i m u l a t e di na m o r er a t i o n a lw a y o nt h eb a s i so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i ti sc o n c l u d e dt h a tt h es t r u c t u r e t e n d st or o t a t ea r o u n dac e r t a i np o i n tw h i c hi sl o c a t e db e l o wt h eg r o u n ds u r f a c ea n da b o v et h e b u c k e tb o t t o m i na d d i t i o n t h e r ei sa ni n d i v i d u a lw e d g ei np a s s i v ez o n ea n dac r a c ki na c t i v e z o n ea sf a i l u r eh a p p e n i n g t 1 1 i sf a i l u r em e c h a n i s mi sr e m a r k a b l yd i f f e r e n tf r o mt h a to f t r a d i t i o n a lg r a v i t ys t m c t u r ea n dp i l ef o u n d a t i o n b ys e c o n d - p h a s ed e v e l o p m e n to fa b a q u s a n dp a r a m e t r i cc o m p u t a t i o n s ，t h ee f f e c t so f u n d r a i n e ds h e a rs t r e n g t ho ft h es o i l 氐，e f f e c t i v eu n i tw e i g h ty - ，s l e n d e r n e s sr a t i oo ft h eb u c k e t l | da n dh e i g h to ft h el o a dp o i n ta b o v et h em u d l i n eho nt h el a t e r a lb e a r i n gc a p a c i t yo f s i n g l e b u c k e tf o u n d a t i o na r ed i s c u s s e d b a s e do nt h en u m e r i c a lr e s u l t s i ti n d i c a t e st h a tt h e f a i l u r em e c h a n i s ma n de a r t hp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no b t a i n e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s e ss h o w g o o da g r e e m e n t 、i t l lt h a tg o tf r o me x i s t i n gm o d e lt e s t s ，f r o mw h i c ht h er a t i o n a l i t ya n d v a l i d i t yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o da r ev e i l f l e d 2 b a s e do nt h ef a i l u r em e c h a n i s mo fs i n g l e b u c k e tf o u n d a t i o ni ns o f tc l a yg r o u n du n d e r l a t e r a ll o a da n de a r t hp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no b s e r v e db yf e m 。al i m i te q u i l i b r i u mm e t h o df o r e v a l u a t i n gt h el a t e r a lb e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l e - b u c k e tf o u n d a t i o ni sp r o p o s e d c o m p a r i s o n w i t hf i n i t ee l e m e n tr e s u l t so b t a i n e db ya b a q u ss h o w st h a tt h er e s u l t so fl i m i te q u i l i b r i u m m e t h o dc a na g r e ew i t ht h a tf r o mf e mw i t h i na na c c e p t a b l ea c c u r a c ya n dt h es u g g e s t e d m e t h o di sa p p l i c a b l ef o rd i r e c t i n ge n g i n e e r i n gp r a c t i c e 3 o nt h eb a s eo ft h ec y c l i cs h e a rs t r e n g t hc o n c e p tp r o p o s e db ya n d e r s e ne ta lf o r c o n s i d e r i n gc y c l i cs o f t e n i n gb e h a v i o ro fs o f tc l a ys e a b e d ，w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db ys t r e n g t h w e a k e n i n ga n ds t i f f n e s sd e g r a d a t i o ni n d u c e dp o s s i b l yb yw a v ec y c l i cl o a d i n g ，an o n l i n e a r e l a s t o p l a s t i c c y c l i cs t r e n g t hm o d e li ss u g g e s t e da n de m b e d d e di n t ot h ef i n i t e e l e m e n t a n a l y s i sp a c ka b a q u st h r o u g hs e c o n d p h a s ed e v e l o p m e n t ，t h e naq u a s i s t a t i cf i n i t ee l e m e n t m e t h o df o ra s s e s s i n gt h ec y c l i cb e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l e - b u c k e tf o u n d a t i o ni sd e v e l o p e d t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ef a i l u r em o d eo fc y c l i ci n s t a b i l i t ya n dd i s t r i b u t i o n o fe q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i ni ns o f t9 1 0 u n da r es o m e w h a td i f f e r e n tf r o mt h o s eo fu l t i m a t e f a i l u r es t a t eu n d e rs t a t i cl o a d i n g i nt h ef a i l u r em o d eo fc y c l i ci n s t a b i l i t y t h er o t a t i o nc e n t e r d e v i a t e so b v i o u s l yf r o mt h es y m m e t r ya x i so ft h eb u c k e ta n dn e a rt ot h el o a d i n gs i d eo ft h e s t r u c t u r ea n dt h es l i d i n gs u r f a c ea tt h eb u c k e tb o t t o mt u r n st ob eam o r ec o m p l e xs p a c i a l s u r f a c ei n s t e a do fas p h e r i c a ls u r f a c ew h i c hc e n t e ri sl o c a t e do nt h er o t a t i o nc e n t e ro ft h e s t r u c t u r e p a r a m e t r i cs t u d i e ss h o wt h a tt h el a t e r a lc y c l i cb e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l e b u c k e t f o u n d a t i o ni si n f l u e n c e db ys o m ef a c t o r ss u c ha st h ee m b e d d e dd e p t h h e i g h to fl o a dp o i n t a n dc y c l i cl o a d i n gn u m b e rt of a i l u r ee t c m o r e o v e r ，v a r i a t i n gt h eh e i g h to fl o a dp o i n to n l y ， 一v 一 水平荷载作用下软土地基中桶形基础工作机理及承载性能研究 d e c r e a s e dd e g r e eo ft h el a t e r a lc y c l i cb e a r i n gc a p a c i t i e so fs i n g l e - b u c k e tf o u n d a t i o ni ns o f t g r o u n dc o m p a r e dw i t ht h o s eu n d e rs t a t i cl o a d i n ga r ea p p r o x i m a t e l ys a m e 4 a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yt h a tm o s ts t u d i e sp a yt h e i ra t t e n t i o no ns i n g l e b u c k e t f o u n d a t i o nb u tl i t t l eo nm u l t i - b u c k e tf o u n d a t i o nf o rw h i c ht h ei n f l u e n c eo fb u c k e tg r o u p e f f e c to nl a t e r a lb e a r i n gc a p a c i t ys h o u l db en o to v e r l o o k e d ，p a r a m e t r i cc o m p u t a t i o n sa n d c o m p a r a t i v ea n a l y s e so nt h el a t e r a lb e a r i n gc a p a c i t yo fm u l t i - b u c k e tf o u n d a t i o n ( f o u rb u c k e t s ) a r ec a r r i e do u tu s i n ga b a q u sb a s e do nt h er e s e a r c he x p e r i e n c eo fs i n g l e b u c k e tf o u n d a t i o n i nt h i sp a p e r i ti sf o u n dt h a tt h el a t e r a lb e a r i n gc a p a c i t yo fm u l t i b u c k e tf o u n d a t i o ni n c r e a s e s a tf i r s t ，a n dt h e nr e m a i n sc o n s t a n tm o s t l y 、) r i t ht h ei n c r e a s eo fb k e e p i n gbi n v a r i a b l e ，i t i n d i c a t e st h a tt h el a t e r a l b e a r i n gc a p a c i t yo fm u l t i - b u c k e tf o u n d a t i o ni n c r e a s e sw i t l lt h e i n c r e a s eo fc o n n e c t i o n s t i f f n e s s ，s p e c i f i c a l l y ，r i o c o n n e c t i o n e l a s t i c c o n n e c t i o n 0 2 0 时，瑁和圆筒的抗倾能力均明显减小。据此可以提出圆筒变位的临 界值0 = 0 2 0 ，此时，由转角口而产生的筒顶水平变位厶l 与筒高日之比为3 5 1 0 一。 结构变位法虽然计算简单，概念清晰，但是大多数没有深入探讨软土地基中桶形基 础的失稳模式与破坏机理，因此，只能算作一类经验方法，模型中的计算参数需要大量 现场实测与工程经验才能得到合理地确定。 1 3 4 极限分析法( l a m ) 虽然极限平衡方法具有简单、实用等优点，但是，根据极限分析的概念可知，通过 极限平衡方法所得到的承载力既不是上限解也不是下限解，一般不可能是真实的极限荷 载，而且也不能给出真实解的范围，因此学者们采用具有严密理论基础的极限分析方法 ( l a m ：l i m i ta n a l y s i sm e t h o d ) 来对桶形基础的极限承载力进行分析。 a u b e n y 等【6 3 j 针对吸力式沉箱基础水平承载力提出了一种所谓的简化极限分析上限 解法，但是，这种方法需要假设作用在吸力式沉箱基础桶体上的土压力分布形式，因此 该方法实质上仍是一种极限平衡计算方法，所得到的承载力值不具备上限解的性质【6 们。 r a n d o l p h 和h o u l s b y l 6 4 j 针对在内摩擦角妒= 0 的黏性土中进行水平运动的无限长圆柱 体进行了研究，将之简化为平面应变问题进行了极限分析，得到了光滑桩和粗糙桩的极 限承载力系数p s u d 分别是9 1 4 和1 1 9 4 。 在此基础上，m u r f f 与h 锄i l t o n l 6 5 j 提出了有限长圆桶结构水平承载力的三维极限分 析上限解法，该方法考虑了泥面以下、浅层土体中的潜在破坏楔体对结构水平承载力的 影响，破坏机制如图1 7 所示。三为圆桶结构埋深，三。为旋转中心d 的深度，z o 为楔体 的深度，o 为楔体在泥面处的最大半径，r 为圆桶结构半径，尺2 为球形破坏面的半径， r l = 屯o ，足= 、肚2 + 砰。圆桶结构在水平荷载p 的作用下，绕着中轴线上某点d 发生 刚体旋转运动而失稳，角速度为c o ，结构周围的土体主要由三部分组成：泥面以下、浅 层土体中形成圆锥形破坏楔体，楔体服从体积不可压缩的假定，但可以发生变形：楔体 以下与桶底之间的土体按照r a n d o l p h 与h o u l s b y 所建议的平面应变流动模式发生水平运 动；桶体底部的土体形成球面滑动破坏，球面的中心也位于结构的旋转中心d 。值得指 水平荷载作用下软土地基中桶形基础工作机理及承载性能研究 出的是，在m u r f f - h a m i l t o n 失稳破坏机制中，楔体下的平面应变水平运动模式与整个桶 体结构的旋转失稳机制并不协调，而且在极限分析上限方法中没有考虑平面应变流动区 域上下表面上的内能耗散率，从而导致所采用的极限分析方法失去了上限解的本质【6 0 1 。 f y i 二 n i r 0 一i 岛! f i 一 一心 g o 三。 l 平面应变流动 j r l繁 球面破坏 ， z ( a ) 立面图( b ) 俯视图 图1 7m u r f f - h a m i l t o n 失稳破坏机制 f i g 1 7f a i l u r em e c h a n i s mp r o p o s e db ym u r f fa n dh a m i l t o n a u b e n y 等【6 6 】在m u r f f - h a m i l t o n 失稳破坏机制的基础之上，采用基于h i l l 屈服准则 的理想弹塑性本构模型进一步考虑了软土地基强度各向异性对于吸力式沉箱基础承载 力的影响，通过分析表明软土强度各向异性对于承载力的影响不会超过1 0 。 王晖等【6 ”基于岩土塑性力学的上限定理建立了软黏土中侧向荷载作用下桶形基础 的上限法极限分析模型，从极限承载力的角度对桶形基础的侧向极限荷载进行了估计， 并通过大比尺模型试验和对工程实例的计算分析验证了此上限法极限分析模型的可行 性和有效性。对该上限法模型的参数进行分析后，可将软黏土中的桶形基础受力模式划 分为3 种类型：当深径比小于o 5 2 时，以平面滑移受力机制为主；当深径比大于1 2 0 时，以倾覆转动受力机制为主；当深径比处于两者之间的过渡状态时，即呈现为平移与 转动中心共存的受力机制。此种划分方法为结构的整体稳定性分析计算提供了重要的理 论依据。 1 3 5 有限单元法( f e m ) 为了更为深入而细致地探讨桶形基础与地基土体之间的复杂相互作用，近年来，在 大连理工大学博士学位论文 计算机技术迅猛发展的前提下，有限单元法( f e m ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 等数值方法得到 了广泛应用。 m c c a r r o n 等【6 8 】对粘性土地基中吸力式沉箱基础的水平承载能力进行了三维有限元 分析。分析中考虑了桶土界面上的摩擦系数、桶壁与土体之间的接触状态、地基土体的 应变软化等因素对吸力式沉箱水平承载力的影响。 张金来等【6 9 】通过有限元计算，分析了不同长径条件比下桶形基础横向和竖向承载 力、荷载位移曲线以及耦合荷载作用下的极限承载力特性，并与实验结果进行了对照。 计算结果表明：基础几何尺寸一定时，当竖向荷载小于某一临界值时，基础的横向极限 承载力随着竖向压力的增加而增加，但是当竖向压力增大到一定程度以后时，其横向极 限承载力反而会随着竖向压力的增大而降低；随着长径比的增加，桶形基础承载力，特 别是横向承载力将有比较明显的提高。因此，为了提高桶形基础运行中的安全系数，增 加桶基的长径比是一个较为有效的途径。 张宏祥等【7 0 】在d p 本构模型的基础上，建立了一种改进的软土弹塑性本构模型，使 之能很好地模拟大港滩海软土的应力应变关系，进而，利用m a r c 程序作为平台，建 立了滩海桶形基础承载力的有限元分析模型，计算了试验桶形基础的承载力，将计算结 果与模型试验结果进行了比较，证明了该改进的d p 模型在土结构相互作用有限元分 析中的有效性。 杨家岭等【7 l 】采用三维有限元计算方法对c b 2 0 b 桶形基础海上采油平台进行了稳定 性计算分析。平台工作期间在外部荷载如风力、波浪、冰力、海流等作用下，其抗倾、 抗滑稳定性不仅与平台的整体结构有关，而且还和海底土体的力学特性以及结构与土体 的相互作用密切相关。分析结果表明，c b 2 0 b 桶形基础平台在设计条件下运行是较为稳 定的。 刘振纹等【4 5 】利用二维有限元方法对单桶形基础和不同桶间距双桶形基础的水平承 载特性进行了分析，并通过模型试验，验证了所得结论的合理性，为指导工程实践提供 了理论参考。其分析结果表明：水平荷载作用下，单桶形基础因产生大的刚体转动而失 稳，同时伴随有少量的整体水平滑移，其失稳模式与刚性浅基础的失稳模式相类似，即 在地基破坏时，单桶形基础的被动区土体发生了大的剪切变形，主动侧土体与桶体间发 生了分离：随桶间距的增加，双桶形基础的水平承载能力也在增加，导致其增加的主要 原因是左边桶体与桶内土体之间的摩擦力以及吸附力的变化。 同时，刘振纹等【_ 7 2 j 还对循环荷载作用下软土地基的累积变形特性进行了探讨。将其 等效为静力蠕变过程，采用拟静力方法，建立了弹塑性的循环蠕变模型，并以桶形基础 为例，对循环荷载作用下软黏土地基的累积变形进行了计算。结果表明，桶形基础的循 水平荷载作用下软土地基中桶形基础工作机理及承载性能研究 环累积变形与所承受的静荷载、循环荷载以及循环次数等因素密切相关；该方法不仅能 够计算循环累积变形，而且还能够用来计算地基承载力，可以直接给出对应于任意循环 次数的地基循环承载力。 1 3 6 人工神经网络法( a n n ) 人工神经网络( a n n ：a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) 是人工智能领域较为活跃的一个重要 分支，它具有极强的非线性大规模并行处理能力，从而引起了国内外学者的广泛关注。 r a h m a n 等人【7 3 扔1 提出以人工神经网络的方法来预测吸力式沉箱基础的承载力，并 建立了一个三层反向传播神经网络模型，即b p 神经网络模型，如图1 8 所示。b p 模型 的实质是把样本输入、输出问题变为一个非线性优化问题，采用l e v e n b e r g m a r q u a r d t 优化法代替了收敛的速度相对较慢的梯度下降法，从而大大提高了收敛速度【_ 7 1 。 输入层隐含层 图1 8b p 人工神经网络模型 f i g 1 8b pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s 利用人工神经网络进行预测，其准确性是建立在大量的训练样本基础之上的。只有 通过大量样本的训练，才能在工程实例参数与预测目标之间建立起与实际较为吻合的对 应关系。为了保证预测的精度，般样本数量不小于输入参数个数的两倍。r a h m a n 等 人的研究中采用的训练和检验样本是来自于1 2 个不同研究组所做的6 0 个独立试验，考 虑了影响桶形基础承载力的5 个因素：桶体长径比l i d 、场地土的不排水抗剪强度& 、 无量纲加载参数k 、加载方向与水平方向的夹角口和水平加载施加点到土表的距离与桶 大连理工大学博士学位论文 体长度之比以。结果表明，使用人工神经网络法和有限元法计算桶形基础的承载力， 效果相差不多，但人工神经网络法比有限元法更易于建模。使用有限元法计算时，在考 虑不同的排水条件、加载速率与荷载类型时需要分别推导出不同的计算公式，而人工神 经网络建模能将这些因素用不同的变量作为若干个输入神经元进行统一的处理。而且， 随着对桶形基础研究的持续深入，试验数据会逐渐增多，训练量也会随之对应增大，从 而，人工神经网络的预测精度将会得到不断地提高。当然，a n n 也存在着诸多的问题， 如人工神经网络预测的前提是输入参数的准确性和可靠性，但土体抗剪强度和土体特性 的确定却一直存在着不确定性，引入模糊集合与模糊逻辑的概念，能较好地处理这一问 题。因此，建立预测桶形基础承载力的模糊神经网络将是下一步研究的方向i 。 1 4 论文的研究目的和主要内容 1 4 1 研究目的 通过上述对本课题现有研究成果的分析与讨论，可以发现目前实际工程中已建成的 桶形基础平台相对较少，还没有掌握足够的工程数据和形成成熟的技术规范，这种情况 对于桶形基础研究起步较晚的国内工程界和学术界而言尤为突出，因此，迫切需要针对 我国滩海软土地基中桶形基础水平承载特性研究中的不足之处，进行补充、改进与完善， 主要包括以下几