（岩土工程专业论文）各向异性黏土中吸力式沉箱水平承载力有限元分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 搐要 吸力式沉箱是一种顶端封闭的薄壁、大直径桶形基础设施，常用于系泊深海浮式石 油平台。自1 9 8 1 年欧洲北海c , - o r m 油田开发中首次采用这种新型基础形式以来，至今 共有4 8 5 座以上的吸力式沉箱分布在全球5 0 多个海域。 作为浮式平台基础的吸力式沉箱通常承受水平方向的拉力。迄今为止众多国内外学 者运用模型实验、极限分析和有限元等方法对水平荷载下吸力式沉箱或桶形基础的稳定 性进行了探讨分析，但他们侧重于对各向同性土体及细长沉箱的研究，忽略了土体各向 异性特性及租短沉箱被广泛应用近海海域这一实际情况。 本文从两个方面来扩充对吸力式沉箱的研究：将强度更新算法与修正琢l l 各向异性 模型相结合，模拟各向异性土体中吸力式沉箱与士体的相互作用；考察水平荷载下粗短 沉箱和细长沉箱的极限承载力，分析沉箱长径比、土体重度和旁压强度取值离散性等因 素对极限承载力的影响。 在h i n 弹塑性模型基础上，引入应变率参数，根据应变率参数的正负将沉箱周围土 体划分为三轴拉伸及三轴压缩等区域。通过a b a q u s 提供的子程序接口。更新土体单 元的三轴拉压强度。有限元分析与上限分析作比较，沉箱侧向承载力及沉箱与土体之间 相互作用的破坏模式吻合很好，说明包含修正h i l l 各向异性模型的强度更新算法能正确 模拟吸力式沉箱地基的力学性质。 极限分析需要事先假定破坏模式，因此只适应于探讨细长沉箱与土体的相互作用。 有限元分析无须假定破坏模式，而且能考虑不同试验方法得到的黏土不排水强度指标之 问的耦合，因而适应各种长径比的沉箱，同时可以变动参数考察旁压强度等对水平极限 承载力的影响。 通过对四种典型各向异性土体中吸力式沉箱的数值模拟，发现粗短沉箱与细长沉箱 有着不同的破坏模式，细长沉箱主要表现为旋转破坏，而粗短沉箱近似平动破坏。分析 水平承载力系数与长径比三d 关系曲线发现，当三，d l 时，承载力系数随上伪的增大而 增大，当l d i 时，承载力系数随l d 的增大而减小。各向异性地基的水平承载力与旁 压强度指标密切相关。变动参数研究表明，基于旁压强度和不排水单剪强度的大致取值 范围，强度各向异性对水平承载力的影响幅度最大不超过2 4 。 关键词：吸力式沉箱；各向异性；有限元；水平承载力 各向异性黏土中吸力式沉箱水平承载力有限元分析 l a t e r a lc a p a c i t yo fs u c t i o nc a i s s o n si na n i s o t r o p i c ，p u r e l yc o h e s i v es o i l a b s t r a c t s u c t i o nc a i s s o ni sal a r g e h o l l o w , c y l i n d r i c a lf o u n d a t i o ne l e m e n t su s e dt oa n c h o r o f f s h o r ef a c i l i t i e s i n1 9 8 1i tw a sf i r s ti n s t a l l e di no o r mo i lf i e l di ne u r o p e f r o mt h e no n t h e r ea r em o r et h a n4 8 5c a i s s o n sf i x e di n5 0o c e a n si nt h ew o r l d a saf l o a t i n gs t r u c t u r a lf o u n d a t i o n , c a i s s o ni sa l w a y se x p o s e dt oh o r i z o n t a l1 0 a d m a n y s c h o l a r sh a v eb e e ne n g a g e di nr e s e a r c h i n gt h es t a b i l i t yo fc a i s s o nu n d e rt h i sl a t e r a ll o a dw i t h v a r i a b l em e t h o d s ，a n dal o to fa c h i e v e m e n t sh a v eb e e nt a k e nb yt h e m h o w e v e r , p r e v i o u s i n v e s f i g a t i o n sh a v ea d d r e s st h el a t e r a lc a p a c i t yi s s u el a r g e l yl i m i t e di ni s o t r o p i cs o i l s a n d a n i s o t r o p yo fs o i l si si g n o r e d a tt h es 锄et i m e t h e yf o c u so nl o n gc a i s s o n s f o rs h o r t c a i s s o n sr e s e a r c h i n gi sq u i t eh a go f a p p l i c a t i o n t h i sp a p e re x t e n dt h a tw o r k sf r o mt w oa s p e c t s ：t oc o m b i n eu p d a t e ds 仃e n g t hm e t h o d w i t hm o d i f i e dh i l ly i e l dc r i t e r i o nt os i m u l a t et h ei i l t 翱阳c t i o nb e t w e e ns u c t i o nc a i s s o na n d a n i s o t r o p i cc l a y ；t oa s s e s st h el a t e r a lc a p a c i t yf o rs h o r ta n dl o n gc a i s s o n s ，t h e n t oa n a l y s i st h e e f f e c to f s o i lg r a v i t ya n dp r e s s u r e m e t e rs t r e n g t h as t r a i nr a t em e 船u r ei su s e dt oe x t i n g u i s h e dt h et r i a x i a lc o m p r e s s i o na n de x t e n s i o n r c 西o n sf o rs o i l ，b a s e do f 删e l a s t o - p l a s t i em o d e l t h e nt h es o i la - i a x i a ls a n g t hi su p d a t e d b yt t 必n gt h el a r g es o f t w a r ep a c k a g ea b a q u sa n di t ss u b r o u t i n ep r o g r a m i no r d e rt o p r o v i d eav e r yp l a u s i b l ee x p l a n a t i o nf o rt h em o d i f i e df o r m u l a t i o n , as o l u t i o nc o m p a r i s o ni s p r o c e e d e dw i t hp l a s t i cl i m i ta n a l y s i s n el a t e r a ic a p a c i t i e so fc a i s s o na n df a i l u r em e c h a n i s m s o f t h es o i lb yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n sa g r e e dw e l lw i t hu p p e rb o u n ds o l u t i o n s c o m p a r e dw i t hc u 删tl i m i t e da n a l y s i s t h ef m i t ee l e m e n tm e t h o dn e e dn o tp o s t u l a t e c o l l a p s em e c h a n i s m , a sw e l la sc o n s i d e r i n gt h ec o u p a n gi n f l u e n c eo f s o i lu n d r a i n e ds t r e n g t h s f r o md i f f e r e n t t e s t s s oi tc a nb eu s e dt op r e d i c tt h eb e h a v i o ro f 鲥t c t i o nc a i s s o n sw i t hv a r i o u s l e n g t h - m l i a m e t e rr a t i o s a n dc o n v e n i e n tf o rp a r a m e t r i cs t u d i e sc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fs o i l g r a v i t ya n dp r e s s u r e m e t c fs 灯e n g t ht ol a t c r a ic a p a c i t y c a i s s o n si nf o u rk i n d so ft y p i c a la n i s o 缸o p i cc l a yw e r ei n v e s t i g a t e d 1 1 璩r e s u l t s d i s p l a y e d ：s h o r tc a i s s o ms h o wd i f f e r e n tc o l l a p s em o d e lw i t hl o n gc a i s s o n s h o r i z o n t a ll o a d m a l 【el o n gc a i s s o n sr o t a t e w h i l es h o r tc a i s s o n st r a n s l a t e p a r a m e t r i cs t u d i e ss h o wt h el 刮 e r a l c a p a c i t i e sw i l le n h a n c ew i t ht h ei n c r e a s i n go fl e n g t h - t o - d i a m e t e rr a t i o sf o r ，d 1 o nt h e c o n t r a r y , l a t e l a lc a p a c i t i e sw i l lr e c e d ef o rl d 2 的张力腿平台，而对于l d 2 ，这是因为对于，d s u s s = 1 0 的土体，当d = 2 m ，= 7 k n m 3 时s 。s s - - 1 4 k p a 。此时细长沉箱l i d 3 的贯入深度均大于6 米。有限元分析中由于土体 抗剪强度很低，且针对无吸力情况假定沉箱与土体之间完全光滑，因此迭代计算中不能 收敛，导致地应力平衡无法实现。但是对于l i d i 时表现为旋转破坏，当l d 1 及 ，d 2 时，细长沉箱的水平极限承载力随l i d 增大明显增大，当工，d 1 时，粗短沉箱随 d 的增大而减小。综合考察旁压强度对各向异性土体抗剪强度的影响，对于大多数的 沉箱直径和不排水剪切强度取值，沉箱水平极限承载力的变动幅度不超过2 4 。 大莲理工大学硕士学位论文 参考文献 【1 】a n d e r s e nkh ，m u r f fjd ，r a n d o l p hmf ，e ta i s u c t i o na n e h o bf o rd e e p w a t e ra p p l i c a t i o n s ， g o u r v e n e cs ，c a s s i d yme d f r o n t i e r si no 凰b o r eg e o t e e h n i c s n e t h e r l a n d s ：t a y l o ra n df r a n c i s ， b a l k e m a , 2 0 0 5 3 - 3 0 【2 】h u e n gj ，c jc ，j e a nm e g e o t e c h n i c a ld e s i g no f s u c t i o nc a i s s o ni nc l a y h o n o l u l u , h a w a i i , u 队 2 0 0 3 c a i i f o m i xi s o p e 2 0 0 3 7 7 0 - 7 7 8 嘲h a r tsw n e c a p a c i t yo f s u c t i u nc a i s s o ni ni s o l r o p j ca n da n i s o t w p i ec o h e s i v eu n d e rg e n m a ll d i l l g c o n d i t i o n s d o c t o ro f p h i l o s o p h y , t e 一, a t s a & mu n i v e r s i t y , 2 0 0 2 【4 】e r b r i c hct t j e l mt1 i n s t a l l a t i o no f b u c k e tf o u n d a t i o n sa n ds u c t i o nc a i s s o n si ns a n d p r o c o f f s h o r e t e c h n o l o g yc o n f h o u s t o n , p p ：1 0 9 9 0 【5 】c h i nw r a n d o l p hm r a d i a ls t r e s sc h a n g e sa r o u n dc a i s s o n si n s t a l l e di nc l a yb yj x e k i n ga n db y s u c t i o n p r o c 1 4 。i n t e m a f i u no f f s h o r ea n dp o l a re n g i n e e r i n gc o n f o r e n e e , t o u l o n , f r a n c e ，2 0 0 4 c a l i f o r n i a ：1 s o p e 。2 0 0 4 4 9 3 - 4 9 9 【6 】k i my ，k i ms ac e n t r i f u g es t u d yo fs u c t i o np i l ei n s t a l l a t i o ni ns a n d p r o c 1 1 “i n t c r r l a f i o no f f s h o r e a n d p o l a r e n g i n e e r i n g c o n f e r e n c e s t a v a n g e r , n o r w a y , 2 0 0 1 c a l i f o r n i a ：i s o p e 2 0 0 1 6 1 5 6 1 9 用a l l e r s m ahgb ，h o g e r v o r s t lp i m o u l l em c e n t r i f u g em o d e l i n go fs u c t i o np i l ei n s t a l l a t i o nu s i n ga p e r c u s s i o nt e c h n i q u e p r o e 1 1 。i n t e m a t i o n o f f s h o r ea n dp o l a re n g i n e e r i n gc o n f e r e n c e ，s t a v a n g e r , n o r w a y , 2 0 0 1 c a l i f o r n i a ：i s o p e 2 0 0 1 6 2 0 缶2 5 f 8 】v u npl ，c h a na he d u n ns e x p e r 细e r r u aa n dm u n e r i c a ls r l d i e so nw a v e - i n c l u d c di n s t a b i l i t yi n s u c t i o nc a i s s o nf o u n d a t i o nf o u n d e di nt h es e a b e d p r o c a s c ec o n f s h a n g h a i , c h i n a , 2 0 0 6 s h a n g h a i ： g e n s h a n g h a i 2 0 0 6 4 5 2 4 5 7 9 】l u k eam ，r o u e haf o l s e nre ，e ta i c o m p o n e n t so fs u c t i o nc a i s s o nc a p a c i t ym e a s u r e di na x i a l p u l l o u tt e s lp r o c 1 3 2 越a s c ec o n f h o u s l o n , t e x a s u s a 2 0 0 3 a s c e , t e x a s , 2 0 0 3 卜1 2 1 0 】b y m ebw ，h o u l s b yg te x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so f a a e 懈脚o f s u c t i o nc a i s s o n s1 0t r a n s i e n t c o m b i r l e dl o a d s j o u m a o f g e n t e e h n i c a le n g i n e e r i n g a s c e 2 0 0 4 1 3 0 ( 3 ) ：2 4 0 2 5 3 1 1l ja l l e r s m ahgb ，b r i n k g r e v erbj ，s i m o n tc e n t h f u g ea n dn u m e r i c a lm o d e l i n go fh o r i z o n t a l l y l o a d o ds u c t i o np i l e s i n tjo f f s h o r ea n dp o k a re n g i n e e r i n g 2 0 0 0 , 1 0 ( 3 ) ：2 2 3 - 2 3 5 【1 2 】a l l e r s m ahgb ，k i r s t e i naa ，b r i n k g r e v erbj ，c ta i c e m r i f u g ea n dn u m e r i c a lm o d e l i n go f h o r i z o n t a l l yi o a d o ds u c t i o np i l e s p r o c 9 。i n t e r n a t i o n o f f s h o l ea n dp o l a re n g i n e e r i n gc o n f e r e n c e b r e s t , f r a n c e 。1 9 9 9 c a l i f o m i a ：i s o p e ，1 9 9 9 7 1 1 - 7 1 7 【1 3 j 施跷春，徐日庆，龚晓南桶形基础单桶水平承载力的试验研究岩土工程学报1 9 9 9 ， 2 1 ( 6 ) ：7 2 3 - 7 2 6 【1 4 】刘振纹，王建华，秦崇荣等负压桶形基础地基水平承载力研究岩土工程学报2 0 0 0 ， 2 2 ( 6 ) ：6 9 1 - 6 9 5 1 5 】m u _ , f fjd ，h a m i l t o nj 乩p - u l t i m a t ef o ru n d r a i n e da n a l y s i so fl a t e r a l l yl o a d e dp i l e s j o u r n a lo f g e n t e e h n i c a le n g i n e e r i n g , 1 9 9 3 ，1 1 9 ( 1 ) ：9 1 1 0 7 e 1 6 】m u 仃jd u p p e rb o u n da n a l y s i so fi n c