（岩土工程专业论文）软土地基桶形基础循环承载力研究.pdf

摘要 桶形基础作为一种新型的海洋平台基础，在近海边际油田的开发中有着广阔 的应用前景。而近海浅滩地区分布着大量的软粘土，如何评价软土地基上桶形基 础的循环承载力，尚没有很好的借鉴。对这一问题的研究将直接关系到桶形基础 在该地区的运用和推广。本文针对海洋软土地基上的桶形基础，研究其循环承载 力的变化规律。主要的研究工作有以下几个方面： 首先在不同试验应力状态下，研究饱和软粘土循环强度、循环破坏准则以及 循环累积变形的变化规律。阐明不排水条件下饱和软粘土的循环破坏遵循m i s e s 屈服准则。而且，证实建立在某种试验应力状态下饱和软粘土循环强度和循环累 积变形的变化规律，可以推广到一般应力状态下。从而为在一般应力状态下运用 这些规律评价饱和软粘土不固结不排水条件下的循环承载力提供了理论依据。 进而，利用前面研究成果，把循环荷载对地基土的作用视为其强度的改变， 通过考虑桶土之间接触的三维有限元计算，分析单桶基础循环承载力的变化规 律。并且，以1 0 0 0 次循环振次为例，给出一定静荷载作用下，软土地基上单桶 基础可以承受的最大循环荷载的范围。在此基础上，研究桶间距对对称多桶组合 基础静承载力以及循环承载力的影响，提出通过确定一定静荷载作用下、经过一 定的循环破坏振次后、相应的单桶基础循环承载力，然后考虑桶间距的影响，确 定对称多桶组合基础的循环承载力。 最后，通过研究二维和三维计算模型下单桶和双桶组合基础的静承载力以 及循环承载力的计算结果，对桶形基础的二维和三维计算相关性进行初步研究。 得到在确定的计算模型和材料参数下，二维计算和三维计算间存在确定的联系。 因此，可以通过研究二维与三维计算模型间的“形状转化系数”，为三维计算向 二维计算简化提供计算参数。 关键词：软土地基桶形基础软土地基循环承载力软粘土循环强度海洋平 台基础软粘土循环累积变形软粘土循环破坏准则 a b s t r a c t b e i n gan e wo f f s h o r ep l a t f o r mf o u n d a t i o n ，b u c k e tf o u n d a t i o n h a saw i d e l y a p p l i c a t i o np r o s p e c ti nd e v e l o p i n gp a r a l i cm a r g i n a lo i lf i e l d h o w e v e r , al o to fs o r c l a yd i s t r i b u t ei np a r a l i cs h a l l o ws h o a lt h e r ea r ef e wr e s e a r c hw o r k s o fe v a l u a t i n g c y c l i cc a p a c i t yo f b u c k e tf o u n d a t i o no ns o f tc l a yt or e f e r e n c eu n t i ln o w s ot h es t u d y o nc y c l i cc a p a c i t yo fb u c k c tf o u n d a t i o nf o rs o f ic l a ys t a r ai sn e c e s s a r y , i tw i l lr e l a t e t ot h eu s i n ga n dp o p u l a r i z i n go fb u c k c tf o u n d a t i o ni ns o f tc l a y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， t l l ef o l l o w i n gw o r k sa r ec a r r i e do u t f i r s t ，t h ec h a n g i n gl a w so fc y c l i cs t r e n g t h ，c y c l i cf a i l u r ec r i t e r i o na n dc y c l i c a c c u m u l a t ed e f o r m a t i o na r es t u d i e du n d e rd i f f e r e n tt e s t i n gs t r e s ss t a t e s i ti sv e r i t i e d t h a ts a t u r a t e ds o f tc l a yf o i l o w e dm i s e sf a i l u r ec r i t e r i o nw i t hs t a t i ca n dc y c l i cl o a d s u n d e ru n c o n s o l i d a t e du n d r a i n e dc o n d i t i o n a n dt h ec h a n g i n gl a w so fc y c l i cs t r e n g t h a n dc y c l i ca c c u m u l a t ed e f o r m a t i o nb u i l to nc e r t a i nt e s ts t r e s ss t a t e sh a v eg e n e r a l i t y a n dc a nb eu s e di ng e n e r a ls t r e s ss t a t e s at h e o r yb a s i sh a sb e e np r o v i d e df o ru s i n g t h e s el a w st oe v a l u a t ec y c l i cc a p a c i t yo f b u c k e tf o u n d a t i o no ns o rc l a y f u r t h e r , c y c l i cc a p a c i t yo fs i n g l eb u c k e tf o u n d a t i o no ns o f tc l a yh a sb e e ns t u d i e d t h r o u g ht h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i n g ，c o n s i d e r i n gc y c l i c s t r e n g t hi sac h a n g e ds t r e n g t hr e l a t e dt oi n i t i a ls t a t i cs t r e s so fe a c hs o l le l e m e n ta n d t h en u m b e ro fc y c l e st of a i l u r e a n dt h er a n g eo fc y c l i cl o a d st h a ts i n g l eb u c k e t f o u n d a t i o nc a l lb es u b j c o t e dh a sb e e nd e t e r m i n e du n d e rc e r t a i ns t a t i ci e n d sf o r1 0 0 0 n u m b e ro fc y c l e st of a i l u r e b a s e do nt h es t u d yo fs i n g l eb u c k e tf o u n d a t i o nc y c l i c c a p a c i t y , t h ei n f l u e n c eo fb u c k e ts p a c i n gh a sb e e na n a l y z e d f o r t h es y m m e t r y m u l t i - b u c k c tf o u n d a t i o ns t a t i cc a p a c i t ya n dc y c l i cc a p a c i t y am e t h o dh a sb e e n p r e s e n t e df o rd e t e r m i n i n gc y c l i cc a p a c i t yo fs y m m e t r ym u l t i b u c k e tf o u n d a t i o n t h a ti s , f o rc e r t a i nn u m b e ro fc y c l e st of a i l u r e ，c y c l i cc a p a c i t yo fc o r r e s p o n d i n g s i n g l eb u c k e tf o u n d a t i o nh a sb e e nf i r s t l yd e t e r m i n e du n d e rs t a t i c l o a d s ，c y c l i c c a p a c i t yo f p o r - b u c k e ti nm u l t i b u c k e tf o u n d a t i o nc a nb ed e t e r m i n e dc o n s i d e r i n g t h e i n f l u e n c eo fb u c k e ts p a c i n gs u b s e q u e n t l y , t h e nc y c l i cc a p a c i t yo fs y m m e t r y m u l t i b u c k e tf o u n d a t i o nc a nb ed e t e r m i n e df o rc e r t a i nb u c k e ts p a c i n g f i n a l l y , t h ep r e l i m i n a r ys t u d y o nc o r r e l a t i o no ft w o - d i m e n s i o n a la n d t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee | e m e n tn u m e r i c a lh a sb e e nd o n eb a s e do na n a l y z i n gs t a t i c c a p a c i t ya n dc y c l i cc a p a c i t yc a l c u l a t i o nr e s u l t so fs i n g l eb u c k e ta n dt w ob u c k e t f o u n d a t i o n t h e r t a i nr e l a t i o nl i e di n c a l c u l a t i n g r e s u l t s u s i n g b e t w e e n t w o - d i m e n s i o n a la n dt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l s s oac a l c u l a t i n gp a r a m e t e rc a nb e p r o v i d e df o rt r a n s f o r m i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lc a l c u l a t i n gr e s u l t si n t oc o r r e s p o n d i n g t w o - d i m e n s i o n a lc a l c u l a t i n g t h ep r o b a b i l i t yh a sb e e np r o v i d e df o rs i m p l i f y i n g t h r e e d i m e n s i o n a lc a l c u l a t i n gf o rb u c k e tf o u n d a t i o no ns o f tc l a y k e yw o r d s ：s o f tc l a yf o u n d a t i o n ，b u c k e tf o u n d a t i o n ，c y c l i cc a p a c i t yo ns o f tc l a y , s a t u r a t e ds o f tc l a yc y c l i cs t r e n g t h ，o f f s h o r ep l a t f o r mf o u n d a t i o n ， s a t u r a t e ds o f tc l a yc y c l i ca c c u m u l a t e dd e f o r m a t i o n ，s a t u r a t e ds o f tc l a y c y c l i cf a i l u r ec r i t e r i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 父 耋伙 签字日期： 形年孚月z 矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：叁洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 躲墓弘 一名： 签字日期： d 石年岁月2 参日签字日期：0 日 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 石油被称作是“工业的血液”，对一个国家的现代工业、现代农业和现代国 防都有着极其重要的意义，因而受到世界各国的高度重视。而海洋蕴藏了全球超 过7 0 的油气资源，世界上已被证实的石油储量几乎有一半在近海海域，将被 发现的石油储量中，估计近海占三分之二以上，于是人们自然而然地提出“向海 洋要石油”l 昭j 。 海洋平台技术是开发海洋资源的一项关键技术。目前，海洋平台主要有固定 式平台和活动式平台两类p 删。在水深超过1 0 0 米以后，固定式平台建造周期长、 造价昂贵，且固定于海底，在油田衰竭后无法移动，特别不适用于边际油田的开 发。因此，发展柔性移动式平台对于海洋石油由浅海向深海转移、特别是开发大 量的1 0 0 米以上水深的边际油田是非常必要的【6 】。 国外已经成功建造投产的柔性平台包括张力腿平台( t e n s i o nl e gp l a t f o r m ) 、 浮柱式平台( s p a rp l a t f o r m ) 、浮船式生产储油卸油系统( f l o t i n gp r o d u c t i o ns t o r a g e a n d0 f f l o a ds y s t e m ) 、半潜式生产系统( s e m i s u b m e r s i b l ep r o d u c t i o ns y s t e m ) 7 一l o l 。 其中，张力腿平台是目前应用最广泛的深海石油平台形式。从1 9 8 5 年8 月建成 的h u r o n 开始，目前全世界已经建成投产的t l p 有九座：h u r o n 、j o l l i t e 、s n o r e 、 a u g e r 、h e i d r u n 、m a r s 、u r s a 、s e a r s t a r 、r a m p o w e l l 。张力腿平台一般由平台主 体、张力腿系统和基础三部分组成，其中基础部分是设计的关键，它不仅受到张 力腿的拉力，还要承受海洋中海风、海浪、冰和地震等各种不确定因素引起的荷 载作用，因此平台基础设计一直是国内外研究的重点课题。 目前，张力腿平台基础形式主要有重力式桶形基础和桩基础。但随着水深度 的增加，桩基础的施工难度和造价都大大增加。1 9 9 2 年挪威土工研究所( n g i ) 在 北海成功建造以吸力桶基为锚固基础的s n o r e 张力腿平台，随后，桶形基础以 其施工方便、便于安装、经济、可重复利用等特点，逐渐代替传统桩基础，在深 海油气开发和边际油田开发中有着广阔的应用前景。 桶形基础( 吸力式沉箱) 是由带有裙板的重力式基础发展而来，长径比通常为 l 2 。具有片筏基础和桩基础的共同特点i ”。”。其外形象一只倒扣的钢桶，项 端封闭，下端敞开。在沉放的过程中，首先依靠其本身及上部结构的重量，使桶 体进入泥中一定深度，然后通过桶盖上的开孔向外抽吸桶内水和空气，使桶体内 部形成负压，依靠桶内外压差的作用，使基础沉到预定的深度。 第一章绪论 从二十世纪七十年代早期开始，裙板重力式基础在挪威北海油田开始使用， 1 9 7 3 年p h i l l i p s 石油公司安装的e k o f i s kd o r i s 储油罐是第一个裙板重力式基础结 构物 t s , 1 6 l 。随后，挪威国家石油公司的工程师t j e r a 等提出了发展钢导管架桶形 基础的新构想。1 9 9 4 年在挪威北海水深为7 0 m 的区域，安装起完全采用桶形基 础的e u r o p i p e l 6 1l e 大型导管架平台，它的建成标志着一种新型海洋平台基础 一桶形基础的诞生。图1 - 1 e u r o p i p e l 6 1 1 e 型导管架平台。这个导管架不再 使用裙板的重力式基础，在其4 个角腿底部安装有直径为1 2 m 的4 个大圆桶，并 且，利用负压把深度达6 m 的圆桶完全压入土中。 到8 0 年代，随着石油工业的发展，要求更有效的油田开发方法，研究者开 始考虑利用负压工作原理的吸力锚桩基础形式，1 9 8 0 年，s e n p e r e 和a u v e r g n e 在 北海油田建成了1 2 根非传统的吸力桩，这些桩的安装依靠的是吸力而不是打钻 的方法，开启了负压吸力锚基础在油气开发领域的新篇章【 一9 1 。吸力锚最早在 海洋工程中的应用是1 9 8 1 年，丹麦g o r m 油田浮式储油轮的系泊。5 年后在 g u l l t a k e sc 油田安装的大型吸力锚被认为是该技术被认可的标志。由于吸力锚的 长径比变化范围较广，吸力锚加系泊缆绳组成的锚泊系统在9 0 年代得到了迅速 发展和广泛应用，至今，全世界已有超过3 0 0 个此类装置在海洋石油开发中得到 应用。截至2 0 0 1 年，运用吸力锚直径最大的是s n o r et l p 平台，吸力锚直径达 到3 0 m ：贯入海底最深的是h o o v e rd i a n as p a r 平台的吸力锚，贯入深度3 0 m ； 应用海域最深的吸力锚是g r e e nc a n y o n 平台，水深达到2 5 5 0 m ；单锚提供拉力最 大的是h o o v e rd i n a hs p a r 平台的吸力锚。单锚的锚固力达到1 5 m n 土壤条件从 深水的软土、硬质土到北海致密的砂土。随着深海油气开发，吸力锚技术经历了 几个发展阶段。1 9 9 5 年在西非刚果2 0 0 m 水深海域工作的n k o s s a 浮式生产单元 ( f p u ) ，系泊系统使用锚体直径5 批长度1 2 m ( 长径比为2 5 ) ，在软土中贯入所 需的负压，比最大允许的负压低，其运用成果鼓励设计人员考虑采用更长的吸力 锚用于大型浮体和更深海域，随后在墨西哥湾进行长径比等于5 的吸力锚足尺试 验证明了这种想法的正确性。随着吸力锚在深水、超深水领域的应用。钢制系泊 缆绳自身的重量会随着水深的增加抵消了平台大部分浮力，1 9 9 7 年m a d i mp 2 6 的f p u 中首次应用了合成纤维绳，对应的水深1 0 0 0 m ，配合r o v 机器人水下作业， 由于减小了系泊缆绳自身的重量，提高了平台的有效浮力。随后，在1 9 9 9 年， 在水深1 4 0 0 m 的墨西哥湾。e x x o nm o b i l 公司的h o o v e r - d i n a ns p a r 是首次应用吸 力锚一张力系泊腿的s p a r 平台。2 0 0 0 年，s h e l l 公司在墨西哥湾水深2 5 0 0 m 海域， 将直径3 7 埘长1 8 3 m 的锚体通过置锚作业船( a h v ) 施放入水，由r o v 控制 d e l m a r 水下快速接头对接，并使各根系泊缆绳由垂直方向定向到2 0 。方向，成 功地完成深海系泊系统的安装。 第一章绪论 国内在桶形基础以及吸力锚方面的研究 2 0 , 2 n ，1 9 8 6 年由天津大学与海军协 作在舟山曾进行过较小尺度的吸力锚现场试验，1 9 9 4 年曹妃甸! - 6 两点系泊系统 和1 9 9 9 年锦州9 3 油田系缆平台( 见图1 2 ) 是国内吸力锚的首次运用。1 9 9 9 年5 月，胜利石油管理局钻井工艺研究院进行了桶形基础的小比例尺模型试验，同年 i o 月在一导管架平台上使用了桶形基础，并实现成功下贯。 图l - ie u r o p i p e l 6 1 l e 型导管架平台图1 - 2 锦州2 0 - 2 桶形基础下部结构 以上的介绍表明，对于吸力锚和桶形基础的研究国内外已取得一些成功的 经验。但对桶形基础平台的研究还主要集中在拖航、下沉就位等试验研究方面， 缺乏对桶形基础平台结构稳定性尤其是动力稳定性方面的系统研究。 海洋环境下一次风暴作用的时间可长达十几小时甚至几天，期间孔压的累 积会引起砂质海床的液化，或者便海洋软土地基在循环荷载作用下弱化。弱化后 的海洋软土地基会使桶形基础承载力有明显下降，循环荷载的作用也可能使桶形 基础底部区域的负压降低，从而导致桶形基础底部反向承载力降低。同时，由于 循环荷载作用造成软土地基累积变形，使基础可能由于过大的变形循环累积的结 果而导致基础失稳破坏。因此，对桶形基础在长期海洋环境下循环承载力的研究 是非常必要的。 1 2 桶形基础的发展概况及研究现状 目前对吸力锚和桶形基础的研究主要集中在静力稳定性方面，以及对负压沉 第一章绪论 贯、托航等施工过程的模拟 2 2 - 2 6 1 。关于桶形基础静力稳定性方面的研究，主要 包括极限上拔荷载的确定，桶形基础在竖向及水平向荷载作用下的失效模式和极 限承载力，以及沉降速率、荷载倾斜、长径比、土层强度参数、桶一土相互作用 等对承载力的影响【2 7 枷l 。关于吸力锚锚泊系统整体稳定性的研究，主要包括系 泊点的位置及系泊力大小的确定，沉放过程中土塞高度的影响，以及由锚链倾斜 造成竖向和水平向荷载耦合作用等方面【3 l 删。 确定竖向及水平荷载作用下，桶形基础的地基承载力是设计中首先要解决 的关键问题。目前对桶形基础的设计还没有现成的规范可供参考，并且其承载力 受到诸多因素影响，如地基土的特性、基础的几何尺寸以及作用荷载等。因此在 桶形基础的设计中，往往根据具体情况，参考一些其它的采油平台规范( 如a p i 等) ，结合刚性短桩和重力式浅基础的设计方法，并通过数值模拟或模型试验来 确定一些技术参数，在综合运用比较各种现有计算承载力方法的基础上，确定桶 形基础的承载力。 关于桶形基础地基承载力的确定，主要的研究方法可以归纳为以下几类。一 类是最初由挪威土工研究所( n g i ) 提出的二维极限平衡法( l i m i te q u i l i b r i u m m e t h o d ) ，提出2 d 破坏面的假设。之后在n g i 二维极限平衡法的基础上，r a n d o l p h 和h o u s e 等引入上限塑性理论( u p p e r b o u n d p l a s t i c i t y a n a l y s i s ) ，确定吸力锚在竖 向及水平荷载作用下的破坏模式，z d r a v k o v i c 等运用这种分析方法对吸力锚在合 并竖向及水平向荷载以及转动弯距作用下的稳定性进行了许多重要的研究，并总 结竖向及水平向承载力的半经验计算公式。再后来由m a r t i n 、h a m i t o n 和m u r f f 等通过分析荷载倾斜对承载力的影响，提出的v - h 法( v - hi n t e r a c t i o ne n v e l o p e m e t h o d ) ，认为吸力锚在倾斜荷载作用下遵循一空间椭圆形的破坏包络面。 另一类是通过有限元数值模拟结合试验方法，对桶形基础( 吸力锚桩) 的静承 载力，以及桶的长径比、吸力锚锚点位置和锚固深度、桶内土塞高度的影响、桶 一土相互作用等方面进行研究f 5 m “。数值计算多采用有限元的方法模拟桶土相 互作用、基础的破坏模式等1 3 ”“，以及提出用离散元的方法模拟桶内土塞的影 响1 4 “4 1 。2 0 0 0 年挪威土工研究所( n g i ) 开发了专门计算粘土中吸力锚上拔承载力 的有限元计算程序。有限元计算优点在于可以考虑不同的排水条件、加载速率和 荷载类型等对计算承载力的影响，可以通过计算确定不同类型荷载、不同模型尺 寸下的破坏模式。但存在建模、网格划分，以及与破坏准则相联系的非线性本构 模型的确定等对计算结果造成的不确定性，因此，通常需要物理模型试验来验证。 如离心模型试验、现场原型实验以及室内模型试验等。 还有一类是半经验法。这类方法不强调荷载作用下吸力锚的力学特性及破坏 模式，对荷载作用下土的抗力作用用一些经验理论进行简化。其中，半经验的土 第一章绪论 压力分布模型。将土的抗力作用看成沿着桶一土界面土压力的不同分布情况，在 此基础上给出桶形基础( 吸力锚) 的极限承载力这种方法通常与上限塑性理论法 相结合，首先确定破坏模式以及转动中心的位置，将外力作用与土抗力的分布情 况间建立联系，进而确定最大的倾覆荷载。也有学者将其称为基于上限塑性理论 的半经验法a u b e n y 等考虑倾斜荷载作用下，竖向以及水平向土抗力的相互作 用，提出吸力锚在倾斜荷载作用下极限承载力d 3 , 3 4 。半经验的梁柱模型。将桶侧 土的作用等效为沿着桶侧壁的系列非线性弹簧作用，从而确定土一桶形基础 ( 沉箱、吸力锚) 系统的位移变化以及极限承载力。 1 2 1 二维极限平衡法( l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ) 挪威土工研究所( n g i ) 在设计s n o r e 张力腿平台的重力裙式基础时，提出一 套极限平衡理论计算负压桶形基础抗拔承载力的方法。 国外从6 0 年代开始一直就有学者对裙带的片筏基础作为抗拔锚固基础的可 行性做过研究，如g o o d m a n ( 1 9 6 1 ) 建议可以通过考察抗压承载力的方法来得到抗， 拔承载力【4 5 删，即“逆向承载力法”。n g i 在设计s n o r r e 张力腿平台基础时也采用 了这一假说，即用计算普通重力式平台基础承载力的极限平衡法来计算负压桶形 锚固基础抗拔承载力。 在重力式平台抗压承载力计算方法上进行了改进，提出一种计算重力式平 台稳定性的方法一滑动面法。首先是在条形基础和均质地基土假设的基础上，将 基础底面转换为一个等效的矩形( 长为l ，宽为b ) 。面积和惯性矩与原底面相同， 并定义b 与波浪方向一致，l 的方向与波浪方向垂直，见图l - 3 。计算中永久性 结构荷载使用排水指标，环境荷载采用不排水指标，将环境荷载转换到裙尖表面， 再减去土对裙墙的反作用力，裙尖表面的荷载作用在等效的矩形面积内。并假定 主动土压力不能为负，即桶壁与土体之间不产生缝隙。通过确定滑动面的位置， 将滑动土体分为四个部分：主动区、水平区、倾斜区和被动区，如图l - 4 所示。 对每个滑动区进行极限平衡分析，采用图1 5 所示的滑动面类型法，把外力转换 到桶体裙板尖端，如主动、被动土压力以及裙板的摩擦力。受滑动面限制的土体 划分为三角形单元，在土单元之间进行力的迭代直到计算出平衡剪应力。 为了考虑两侧土对基础承载力的影响，将桶壁外侧与土之间的剪应力乘以 一个折减系数，并将其用于无限长度的桶形基础计算中，l a u r i t z s e n 等通过研究 发现，当折减系数取0 4 时竖向承载力计算结果与汉森公式计算结果很接近【4 7 】。 但计算中并没有考虑桶内土体对承载力的影响。研究发现随着桶裙边的加长，桶 内土体的作用是不可忽略的。 第一章绪论 、 l l 皇坚卫巴一 图1 3s n o r r e t l p 平台设计时等效面积图l - 4 二维极限平衡法滑动面示意 m “l l o 协 l b “i a h i 图1 5 滑动面几何形状与受力示意 1 2 2 基于上限塑性理论的半经验法 r a n d 0 1 p h 和a u b e n y 在二维极限平衡法和上限塑性理论的基础上。建立了基 于上限塑性理论的半经验法 4 8 5 0 1 。总结桶形基础在水平荷载作用下，桶侧土压 力的分布情况，见图l - 6 ( b ) 。当基础埋深较浅时，水平荷载作用下，在桶的主动 侧和被动侧产生锥形土楔，在这个区域内体应变为零，沿半径方向土体的速率用 式( 1 1 ) 来表示。在土楔的下方，沿着基础外侧产生一塑性流动区域，在桶底范围 内桶内土塞相对于外侧土体绕旋转中心沿一球形剪切面发生剪切滑动。当旋转中 心位于桶底下方时，从下方看这个剪切面是凹的，见图1 - 6 ( c ) 。当转动中心位于 桶底上方，在土楔底到桶底范围的中心处时，从下方看这个剪切面是凸的，见图 - 6 ( d ) 。球形剪切面沿着基础延伸至塑性流动区域，与塑性流动区域相连， 6 川一 第一章绪论 巧= ( 7 r o 八 而h - z ) c o s 吵 ( 1 - ) 式中：t o , ，一分别为桶形基础( 吸力锚) 的内、外径；y 一荷载作用方向与水平面 的夹角；t 一塑性流动系数；h 一基础下部转动中心距泥面距离；：一土 楔延伸的高度；d 一荷载作用的位置距泥面的距离，荷载作用位置示意 见图1 6 ( a ) 。 ( a ) 倾斜荷载作用于基础示意 ( b ) 土压力分布示意 7 第一章绪论 ( c ) 旋转中心在桶底上方破坏模式 r o t a t i o nc e n t r e ( d ) 旋转中心在桶底下方破坏模式 图i - 6 桶形基础在水平荷载作用下的破坏模式 文献【5 0 】中建议不固结不排水条件下，桶形基础水平承载力的计算公式，见 式( 1 2 ) 。引入水平承载力系数，认为水平承载力与土体的剪切强度有关。 h v 2 n h a s 。n l 3 ) n b = 口- 7 0 2 f 三广” l d ， 8 ( 1 2 ) o ，d f o ，毛= f 0 + 口f o 将动力试验结果按照不同循环累积剪应变芦和循环剪应变始的组合，总结出 一系列图表用来分析地基土单元的受力情况。例如图1 1 0 是针对不同的固结比 ( o c r ) ，由循环单剪试验和循环三轴试验得到的不同循环破坏振次下，循环累积 剪应变芦和循环剪应变扬的组合情况。 i i | 0 5 5 ( a ) 循环单剪试验( o c r = i ) 1 。嗽 a 【r 3 l 、j 、苗 魄一 h - l 神 磷 兹 骝 ! ， 铲妨盯 参一k 气k ；，彳 1 l 器品1 h-1豸霭 ( b ) 循环三轴试验( o c r = 4 ) 图l - l o 循环累积剪应变芦和循环剪应变托的组合示意图 1 4 一 ： j f 、 鼻 兽彳声 蛊、0； 俚 讹 陈 n 第一章绪论 然后，采用假设潜在滑动面的分析方法，对地基土体的不同部位，按照所 假设的受力条件，进行不同累积剪应变再和剪应变崩组合下的试算迭代，计算出 滑动面上各点的材料系数( 定义为剪切强度和所施加的剪应力之比) ，把材料系数 最小时对应的潜在滑动面确定为破坏面。所对应的受力状况为最不利的受力状 况，如图1 1 l 所示。 图1 - 1 l 承载力确定示意图 随后，挪威土工所将这种方法应用于计算裙板基础在循环荷载作用下基础 的承载力和抗拔力。但这种方法将三维问题简化为平面问题，存在一定的局限性。 且需要对同一种土进行大量的土动力试验，在工程中很难实现。 p r e v o s t 和m a r t , w a 依据各项异性增量弹塑性理论，建立描述软土循环特性 的弹塑性本构关系，进而借助增量弹塑性有限元方法分析地基的循环承载力 【6 7 q 1 1 。这一方法的特点是能够实施跟踪循环应力路径，比较直观描述地基的循 环破坏过程。但是，由于波浪引起的循环荷载次数成百上千，采用这种方法不但 计算工作量非常巨大，而且经常由于计算误差的累积导致计算结果不收敛。 另外，文献 7 2 】、文献【7 3 】中建议在平台的设计中，采用对静承载力进行修 正的方法来考虑循环作用力的影响。但由于循环荷载作用对地基土体的影响非常 复杂，循环荷载作用下地基土单元的强度既取决于循环应力也取决于静应力，采 用一个统一的弱化强度，对静承载力进行修正难以准确反映不同条件下循环荷载 对地基承载力的影响。因此，应该对平台基础受到循环荷载作用前地基土的静应 力状态，以及循环荷载作用时地基土受力状况，和各种循环荷载影响因素进行详 细研究，以便准确给出静荷载、循环荷载以及循环次数等各因素对地基承载力的 第一章绪论 影响。 由于地基土的循环强度不仅取决于锤环荷载的大小，而且取决子循环荷载 作用前地基土单元初始静应力的大小，以及循环破坏次数。王建华提出了一种评 价软土地基循环承载力的拟静力法【7 4 】。他首先定义土的循环衰减强度为在定 的循环应力作用下经过一定的循环次数、土样破坏时所能承受的最大静应力。通 过循环三轴试验确定不同的循环振次下，土的循环衰减强度与等效静应力之间的 关系。进而，通过有限元数值计算由地基土单元中初始静应力的大小，就可以确 定一定的循环破坏次数下，地基土单元的循环衰减强度。将循环荷载对地基土的 影响等效为一种与地基土单元初始静应力有关的地基土静强度的弱化。 文献【7 5 】运用这一思路，通过平面应变有限元方法分析了不同静荷载作用下 软土地基上桶形基础循环承载力的变化规律。但建立在循环三轴试验基础上的土 单元循环强度与单元初始静应力以及循环破坏振次之间的关系，是否适用于一般 应力状态下，有必要对这一问题作进一步研究。 1 4 饱和软粘土循环力学特性 饱和软粘土循环力学特性的研究主要包括循环强度和循环累积变形两个方 面。许多学者用不同的方法，从不同的侧面对这两个问题进行了研列”4 ”。 对于海洋饱和软粘土，波浪等循环荷载作用下，循环强度的大小与循环振次、 静荷载、循环荷载有密切的关系。同时，与土的物性指标以及固结状态和破坏标 准的选取等有关。当土的物性指标确定后，在一定的位移破坏标准下，影响土循 环强度的主要因素有三个方面：循环荷载作用前土单元初始应力状态；循 环荷载的大小以及作用方式：循环荷载作用次数。 文献【“1 中将循环强度定义为一定循环次数下，土样达到破坏时静、动应力 的组合，见式f 1 2 4 ) 。 o | a = b i 。 f ( 1 - 2 4 ) 式中：q 一由上部结构自重引起的土层中附加静应力；一循环荷载作用引起 的土层中附加循环应力；町，一一静荷载和循环荷载共同作用下达到破坏时 的循环强度。 对于海洋软粘土，在循环荷载作用下，循环强度视为与一定的循环振次相联 系，并与地基土初始静应力状态有关的强度的改变。而且，由于海洋软土渗透性 差，当风浪通过上部结构物把循环荷载传递给地基时，地基土往往在上部结构重 1 6 第一章绪论 力作用下尚未完成固结，通常利用不排水条件下的动力试验来研究软粘土的循环 弱化强度与初始静应力、动应力以及循环振次之间的变化规律。 此外，文献【8 2 】中考虑海洋软土尚未固结时，由于波浪荷载作用下土层强度 的循环弱化，由稳定状态转向不稳定状态，引起土层运动和海洋软土层的失稳。 i s h i h a r a 曾将波浪荷载视为作用于海底土层上的压力波，并假定土层为弹性介质， 计算波浪荷载引起的循环应力，然后结合土动力试验结果，确定海洋场地土层是 否有破坏的可能性文献【8 3 】中将软土视为具有流变特性的粘弹性体，利用随应 变变化的储能与耗能剪切模量来描述循环荷载作用下软土的非线性和滞回性。但 没有考虑软土的循环弱化特性。土动力试验研究表明，如果用粘弹性模型表示循 环荷载作用下土的应力应变关系，土的粘弹性参数变化不仅与剪应变速率有关。 而且与土体当前的弱化状态有关。 对于海洋软粘土，由于其渗透性差，使得循环荷载作用过程中累积孔隙水压 力不容易消散，所以体积变形很小，动变形主要表现为循环荷载作用引起的剪切 偏变形，即循环累积变形。文献【8 4 】中将循环累积变形视为循环累积损伤的结果， 通过大量的土动力试验研究循环累积变形随静应力、循环剪应力和循环次数的变 化关系。文献【8 5 】中引入模量软化的概念，将循环累积变形视为一定静应力作用 下，有效应力降低而引起累积变形的增加，运用能量原理来研究循环累积变形与 静偏应变之间的变化关系。 文献【7 6 仲在研究软粘土循环累积变形时考虑了土单元静应力状态的变化 对软土循环强度和循环累积变形造成的影响。考虑由于循环荷载使土单元产生了 累积应变，从而导致单元静应力状态发生变化，循环强度也随之发生变化。并且 将由于循环应力历史造成的土单元静应力状态的变化、以及对动强度的影响称为 土单元的动静耦合效应。通过静应力不变的土动力试验结果，引入记忆循环应力 历史的参数，建立反映动静耦合效应的循环强度和循环累积变形的变化规律。 建立士的动应力一动应变关系主要有两种方法： 详细跟踪每一次动荷载作用的全过程，建立相应的动应力一动应变关系。 在此基础上，通过弹塑性增量分析方法计算地基土体在动荷载作用下的强度和变 形 s e - 跏。这种方法可以真实地跟踪动荷载作用过程中土的动应力与动应变的发 展变化。由于地震荷载的特点，频率高( 一般为1 5 h z ) 、历时短( 通常为几秒或几 十秒) 、振动次数少( 一般为1 0 0 次左右) ，使用这种方法计算地震荷载作用下土体 的动变形是可行的【州。但波浪荷载属于低频荷载，作用周期长( 一般为1 - 3 0 秒) ， 循环次数多( 一般为几于次或更多) ，如果按这种方法去计算循环累积变形，计算 量非常大，会造成很大的计算累积误差。 不考虑每一次动荷载作用的全过程，只考虑每一次动荷载作用后的累积 1 7 第一章绪论 变形的情况，忽略中间过程，得到的是一定循环次数后地基土体的循环累积变形。 虽然这种方法无法计算每一次循环的变形增量和循环过程中孔隙水压增量，但它 简单可靠，通过这种方法，计算循环荷载和静荷载共同作用下，土体的循环累积 变形是可行的。p r e v o s t 曾用这种方法计算波浪荷载作用下软土的循环累积变形 【9 l l 。 也有学者避开研究土的动应力一动应变关系，从能量的角度出发研究土的动 力特性【9 2 矧。如n e m a t n 船s e r 等运用能量的概念分析了砂土的液化特性：c a oy l 和k t l a w 等通过三轴试验和共振柱试验，研究了海洋粘土的动力特性，提出 消散能的概念并将消散能视为阻尼消散的能量和产生塑性变形的能量两部分。 1 5 论文主要研究内容 桶形基础作为一种新型的海洋平台基础，在近海边际油田开发中有很好的 应用前景。研究长期海洋环境中，波浪等循环荷载作用下桶形基础的循环承载力 将直接关系到桶形基础的应用和推广。 挪威土工研究所从理论和实验两方面，对桶形基础的循环承载力进行了比 较全面的研究，为我们提供了很好的借鉴。但主要针对的是d r a m m e n 粘土研究 固结不排水条件下桶形基础的循环承载力。王建华曾针对海洋饱和软粘土，在循 环三轴试验的基础上提出了土单元循环强度的确定方法。文献【7 5 】利用这一方 法，通过平面应变有限元计算对桶形基础的循环承载力进行了研究。但建立在循 环三轴试验基础上土单元循环强度的确定方法，在一般应力状态下是否适用，有 必要做进一步研究。 本文针对海洋饱和软粘土地基，通过研究不同试验应力状态下的土动力试 验结果，验证了不排水条件下，饱和软粘土的循环强度和循环累积变形的变化规 律可以运用在一般应力状态下。进而，运用一定循环破坏振次下，土单元循环强 度与单元静应力的关系，通过考虑桶土接触的三维有限元计算，对桶形基础的循 环承载力进行研究。为与模型试验结果进行直接对比提供依据。 主要研究内容分为以下几个方面： 1 研究不排水条件下饱和软粘土循环强度以及循环破坏时的应力屈服准则。 分析不排水条件下饱和软粘土的循环三轴和循环扭剪试验结果，总结两种不 同试验应力状态下循环强度随初始静应力、循环应力、循环破坏次数之间的变化 关系。验证了通过不同试验应力状态确定的饱和软粘土循环强度可以运用在一般 应力状态下。并且，当循环破坏振次一定时，饱和软粘土在不固结不排水条件下 循环破坏遵循m i s e s 屈服准则。于是，在试验应力状态和一般应力状态之间，通 过循环破坏的m i s e s 屈服准则建立了强度破坏意义上的等效关系。 第一章绪论 2 研究不排水条件下饱和软粘土循环累积变形。 依据不固结不排水条件下饱和软粘土循环三轴试验结果，建立饱和软粘土循 环累积变形随静荷载、循环荷载、循环振次的变化规律，依据m i s e s 屈服准则。 按照八面体剪应力等效的原则，拟和了循环扭剪试验结果，拟和良好。证实了建 立在循环三轴