（岩土工程专业论文）海洋吸力式沉箱在波浪作用下地基稳定性分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 海洋吸力式沉箱地基除承受自身静力荷载外，还承受着长时间波浪力的共同作用， 地基土体处于复杂的受力状态。分析其静、动力稳定性成为海洋岩土动力学研究中极其 重要而又是地基设计者十分关心的问题。因此，为配合海洋工程设计与建设，必须进行 土的循环特性试验研究，发展海洋土动力学的实验技术与分析理论。在深海和极浅滩海 域，吸力式沉箱基础受到了海洋石油界的广泛关注，但是目前对于吸力式沉箱等新型海 洋基础的工作机理及其稳定性分析尚未得到统一认识，因此为完善吸力式沉箱基础的设 计理论体系与计算方法，亟需开展系统的试验研究、数值计算等方面的综合研究。 为此，论文针对饱和粘土试样，利用土工静力一动力液压一三轴扭转多功能剪切仪 等先进的土工试验设备，模拟海洋地基土单元体的实际受力条件，对不同结不排水试验 条件下饱和粘土的单调剪切试验特性进行了较为深入而系统的对比分析与研究。在此基 础上，运用大型有限元通用软件a d i n a 对沉箱模型进行有限元数值实施与二次开发， 进而基于广义剪应力等效原则建立了工试验中试样的受力与实际土体单元体受力的 等效关系；并以此为基础，建立了吸力式沉箱基础及其下覆地基的有限元计算模型，对 沉箱基础及其下覆地基的承载力进行了数值分析。 关键词：啜力式沉箱；粘试祥；循环剪切特性；破坏标准；承载力 海洋吸力式沉箱在波浪作用下地基稳定性分析 f o u n d a t i o ns t a b i l i t ya n a l y s i so fo f f s h o r es u c t i o nc a i s s o na f f e c t e d b yw a v el o a d i n g a b s t r a o t e x c e p ti t so w ng r a v i t y ，o f f s h o r es u c t i o nc a i s s o ns t i l le n d u r e st h ew a v el o a d i n gw h i c h w i l le f f e c t sf o ral o n gt i m e u n d e rt h i sc o n d i t i o nt h ef o u n d a t i o n ss t r e s si sv e r yc o m p l i c a t e s o ， s y s t e ma n a l y s i si t ss t a t i c - d y n a m i cs t a b i l i t yb e c o m e sav e r yi m p o r t a n ts u b j e c ti no c e a n g e o t e c h n i c a lm e c h a n i c s a tt h e 船f f n et i m ei ta l s oi n d u c e st h ed e s i g n e r s 锄t e 瓶o nt h e r e f o r e ， i no r d e rt oc o o p e r a t ew i t ho c e a ne n g i n e e r i n gd e s i g n , i ti sn e c e s s a r yt op e r f o r mt h et e s t so n c y c l i cb e h a v i o ro fs o i l s 眦dd e v e l o pt h ee x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ea n da n a l ”i c a lt h e o r yo f i i 馏i i n es o i lm e c h a n i c s s u c t i o nc a i s s o nf o u n d a t i o ni sp a i da t t e n t i o nt ob ym a r i n ep e t r o l e u m k i n g d o m i nt h es h a l l o wm a r i t i m es p a c ea n dd e e ps e aa r e a , b u tb e c a u s et h ew o r k i n gm e c h a n i c s a n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o df o rs t a g i l ya n a l y s i so fs u c t d o i ic a i s s o nf o u n d m i o na r en o tc l 目r i f i e d y e t , s oi tu r g e n t l yi l o e d st oc a r r yo nt h er e s e a r c hf o rt h e o r ya n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o d i no r d e rt op e r f e c tt h ed e s i g nt h e o r ys y s t e m f o rt h i sr e a s o n , t h eg e o t e c h n i c a lt e s t i n ge q u i p m e n t si n c l u d i n gt h ea d v a n c e da p p a r a t u sf o r s t a t i ca n dd y n a m i cu n i v e r s a lt r i a x i a la n dt o r s i o n a ls h e a rs o i lt e s t i n ga r ce m p l o y e dt op e r f o r m m o n o m u i ct r i a x i a lt e s t sa n dc y c l i cs h e a rt e s t su n d e ru n c o n s o l i d a t e d - u n d r a i n e dc o n d i t i o n t h r o u g has e r i e so ft e s t so l ls a t m a t e dc l a y , t h em o n o t o n i cs h e a rb e h a v i o ro fc l a ya r e s y n t h e t i c a l l ye x a m i n e da n ds t u d i e d b a s e d0 nt h i san u m e r i c a li m p l e m e n t a t i o no ft h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o df o rt h e s et w om o d e l sa n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta r cc o m p l e t e do nt h e p l a t f o r mo ft h eu n i v e r s a l f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea d 玳九f l l r t h e l l l l o r eb a s e d0 1 1t h e e q u i v a l e n tp r i n c i p l eo fg e n e r a l i z e ds h e a rs t r e s s ，t h ee q u a lr e l a t i o n sb e t w e e nt h es t r e s so f t e s t i n gs a m p l e si nt h eg e o t e c l m i c a lt e s t sa n dt h es l r c s so fs o i le l e m e n t si nr e a lc l a yg r o u n da r e s e tl m 1 1 硷f i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o n a lm o d e lf o rt h eg r o u n df o u n d a t i o nu n d e rs u c t i o n c a i s s o ni se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h e s ee q u a lr e l a t i o n s ，a n dt h en u m e r i c a la n a l y s i sf o rt h e m o n o t o n i cb e a r i n gc a p a c i t yi sc a r r i e do u tt h r o u g ht h i sc o m p u t a t i o n a lm o d e l k e yw o r d s ：s u c t i o nc a i s s o nsc y c l i cs h e a rc h a r a e t e r i s t i e ；c l 碍s p e c i m e n ；b e a r i n g c a p a c i t y i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：墨查重 导师签名委塑 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 我国东南沿海地区表层土大都为数米厚的软粘土覆盖层。该土层具有含水量高，孔 踉比大，强度低的特点，并且在波浪等循环荷载作用下，该土层的强度会明显降低，从 而使其承载力减小，使原稳定于其上的港工和海工结构物有可能产生过大的附加沉降， 甚至失稳破坏。例如，铺设在渤海湾的某石油管道原按不埋设计，但由于地基土在波浪 作用下发生了软化，使该管道沉入土中，由于此时支撑条件发生变化，使管道的内力于 原设计可能有很大差别；又如某沉箱式平台在安装过程中遭遇较大的风浪作用，使海底 土的地基承载力下降，造成平台产生过量沉降。因此，软粘土在波浪作用下的强度软化 问题是期待深入研究的课题。研究软粘土在各种动力荷载作用下的力学性状具有十分重 要的学术意义和工程应用价值。近年来，随着海洋资源的开发与海洋空间利用，诸如海 底管线、防波堤、采油平台等许多大型海洋结构物与设施的不断修建，海岸和近海工程 得到了长足的发展。然而由于土工建筑物与地基中土体的初始应力状态的复杂性，当进 一步承受波浪、地震等复杂循环荷载作用时，土体的动力特性与本构关系将会变的愈加 复杂，尤其在环境极端恶劣的海洋工程设施建设与使用中，海床失稳往往会造成巨大的 生命财产损失。因而在实验室研制、开发能够模拟复杂初始应力条件和复杂循环剪切荷 载状态的先进土工设备，并以此进行复杂波浪荷载环境或低整荷载条件下土的动力特性 研究，是深入研究复杂荷载条件下土工建筑物与地基的静、动力响应与稳定性分析的前 提与基础。这一问题不仅是土动力学与岩土地震工程研究中至关重要的基本课题，而且 也是海洋平台等重大工程设施设计中首要解决的实际问题。由于沉积环境、组成成分及 天然固结状态等条件的不同，使得海洋土的物理及工程特性与陆地土存在较大的差异。 而且在波浪荷载作用下，海床土体处于复杂的应力状态，如图1 1 所示。这与陆地上建 筑物地基或场地存在着较大的差异，体现在：( 1 ) 在波浪荷载的一个循环过程中，海床 中土体的主应力轴发生了连续不断的旋转，主应力轴旋转使得海床的变形累积效应和孔 隙水压力增长特性及抗液化强度发生了显著变化。( 2 ) 由于波浪作用时间往往较长，作 用期间土层发生了排水，因此在海洋环境作用下土的动力特性与海床动力分析中应该考 虑部分排水效应。( 3 ) 海洋建筑物与下覆海床地基及周围的流体是一个复杂的多相介质 耦合体系，波浪荷载不仅直接作用在海床表面上，而且通过作用在结构上的波浪力间接 地传递给下覆地基，同样波浪荷载分别通过远场波动传播和作用在上部结构上的惯性力 海洋吸力式沉箱在波浪作用下地基稳定性分析 直接地或间接地传递给下覆海床上。因此在海洋建筑物及其地基的分析与设计中应该合 理地考虑三者的相互作用效应。 然而由于实验技术条件和认识水平的限制，以往对于波浪荷载作用下海洋土的变形 与强度特性的研究仍然套用了陆地上对于一般场地与地基的试验与分析方法，没有充分 考虑海洋土的自身特点，也未能合理地计入波浪作用下海床的实际应力状态及其变形与 破坏机理。故而在试验中只有采用可实现主应力轴连续旋转的设备，才能比较真实地反 映波浪作用下海洋土体的实际应力状态，进而揭示其变形与强度特性。因此本论文就将 针对波浪荷载条件，利用先进的“土工静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪”，对 饱和粘土进行大量的不同应力路径和各种固结应力状态在不排水条件下的土工试验，研 究波浪等荷载作用下粘土的静动力变形与强度特性。利用各种应力路径士工试验结果确 定或通过特殊应力路径试验结果标定相关的本构参数，并注意考虑稳态强度及其与状态 变量( 应力状态和物理状态) 之间关系，对软土试样进行不同的静一动应力组合条件下多 种类型的循环剪切试验。依据大量的土工试验数据，探讨影响软粘土循环剪切变形特性 及复杂应力条件下的破坏标准，为海洋工程场地及软土地基上海洋建筑物的稳定性评价 提供依据。本项研究不仅对促进土动力学发展奠定坚实试验基础，具有重要的学术意义， 而且还为海洋资源开发与利用提供技术支持。 锄。、 棼、 。、 ； 、一 1 一， 图1 1 波浪荷载作用下海床土体中的应力状态 f i g 1 - ls t r e s sc o n d i t i o no f s e a b e du n d e rw a v cl o a d i n g 在深海和极浅滩海域，传统的混凝土重力式平台与导管架平台结构型式受到限制， 因此新型的结构理念与新型的基础型式应运而生，如张力腿平台( t l p ) 、独柱式平台( s p ) 大连理工大学硕士学位论文 及浮式生产储运系统( f p s o ) 等新型浮式结构。为了解决大型浮式结构在海底的锚泊问 题，作为一种新型的浮式结构基础型式，吸力式沉箱( 又称吸力桩、吸力锚或桶形基础) 受到了海洋石油界的广泛关注。但是目前关于t l p 和f p s o 吸力式沉箱基础的设计方法与 施工技术等方面的探索仍落后于工程实践，对于吸力式沉箱等新型海洋基础的工作机理 及其稳定性分析尚未得统一认识，在复杂海况条件下新型海洋基础的设计与建造技术是 深海海洋工程建设中所面i 晦的新挑战。 因此，针对某种粘土的自身特点，发展粘土试样的制备或复制技术，利用能够模拟 海洋地基实际应力状态与循环加载模式的实验设备，研究饱和粘土的循环变形特性和液 化破坏机理，在此基础上建立粘土的动力本构模型和完善能够模拟海洋荷载特点的数值 分析方法，具有重要的工程意义和实用价值，不仅会推动海洋土力学的发展，而且为海 洋工程建设提供技术支持。 1 2 国内外研究现状与发展动态 1 2 1 关于饱和粘土试样制备技术 原状粘土与人工制备粘土试样是饱和粘土循环特性的试验研究基础，室内试验所使 用试样主要依靠两种方法获得：( 1 ) 利用海上取土器械获得原状士样，然后根据试验需 要切削制备尺寸合适的试样；( 2 ) 在实验室内通过控制颗粒级配、粘性含量等由人工制 备重塑土样，制备土样必须保持与研究用土的性质比较接近。从经济和技术角度考虑， 土样的这两种获取方法各有利弊。 原状土样的特点是能够保持现场土样的组成成分，在一定程度上反映原始沉积结构 和固结状态，能够为实际工程设计和施工提供参考。但缺点比较明显，主要包括以下5 个方面： ( 1 ) 取样技术与土样的扰动问题 原状土样的取样技术与取样时对土样的扰动影响等问题，国内外的研究研究较多。 魏汝龙等对软粘土的取样技术进行了改进，通过对土样扰动的影响因素的对比分析，指 出取土器械的振动对土样的扰动将使土样的强度和变形特性产生较为显著的改变【l ，2 】； 王年香等通过对比采用不同取样器取土时对土样的影响，指出薄壁取土器对于获取高质 量土样具有明显的优越性【3 1 。s t r a c h a a 等，d y v i l 【等对海洋环境工程问题进行分析时也阐 述了取样的扰动问题【4 5 1 ，l e r o t m i l 等在分析野外和室内两种方法确定预固结压力存在的 差异时，指出取样扰动问题较为明显同。b e n n e t t 等通过对比分析原位土的孔隙和渗透性， 指出砂土试样受扰动后由于细颗粒的重新排列堵塞孔隙通道，试样的渗透系数可能降低 一个数量级【_ ”。张荣堂等通过比较挪威s h e r b r o o k e 取样器和活塞取样器的取样质量， 海洋吸力式沉箱在波浪作用下地基稳定性分析 探讨了取样扰动对土样的影响程度，研究表明一些土性参数( 如重压缩体变、不排水剪 切强度、剪胀性参数等) 非常有规律地受到土样扰动的影响，并结合试验结果提出了一 个评价扰动土样质量的新标准隅1 。 ( 2 ) 取样造成土样的应力释放 在将海底的原状土样取上船以后，总应力突然减小，应力状态也由各向异性变为各 向同性，取样可能引起长期小振幅波浪荷载形成的强度丧失1 4 ，5 】而且由于应力释放导致 溶于水中的气体扩散到土骨架，此时测得的饱和度小于原位土样的饱和度，e s r i n g 等指 出应对室内实验测得的饱和度进行修正【引。张荣堂等研究了l i e r s t a n d a 粘土由于应力释 放所引起的深水土样扰动问题，认为土的力学性质参数与气体饱和度之间存在一定的规 律f 9 1 。 ( 3 ) 取样困难。花费较大 由于海洋环境条件恶劣，海底原状样的获取非常困难，尤其对于水深2 0 0 m 以下的深 海取样更是困难。目前国内深海取样一般只能取到重力柱状样和底质样，取样方法有重 力取样、振动活塞取样和挖泥斗取样。而且在深海取样需要2 0 0 0 吨以上的船和特殊的深 海取样设备，花费巨大。 ( 4 ) 原状土样的空间差异明显，试验数据的可比性较差 地质取样资料表明同一深度不同地点或同一地点不同深度所取的天然土样的组成 成份及成因等存在较大差异，这种差异能够反映不同土层的实际物理力学性质，但对室 内试验寻找土性规律极为不利。 ( 5 ) 原状土样试验结果的影响因素较多，不利于精确分析土性差异 由于海洋土的物理力学性质与陆地土存在较大的差异，对海洋土进行常规土工试验 时，必须考虑这种差异对实验结果的影响。如海洋土富含有机物与盐分，测量土样比重 时需要修正盐分的影响，因为比重是土的基础性物理性质指标，它的精度直接影响孔隙 比及其他物理指标的计算结果【l o l 。现场试验表明，海底沉积物的实际饱和度在0 9 1 0 之间，细颗粒的粘性土或粉土比砂土更容易包含不溶于水的气泡，如果土颗粒间的气泡 直径过大或形成空腔时，海洋土的工程力学性质会发生不容忽略的变化【i l 1 2 1 。然而对于 海底非饱和土样，目前无论在实验技术还是计算理论方面尚处于探索阶段，为了理论分 析和计算的需要，在室内进行单调、循环三轴或扭剪试验时往往需要对试样进行真空饱 和处理，经过如此处理的试样扰动较大，也很难反映实际土性。因此，国内、外学者开 展了实验室土样人工制备技术的探索，采用人工制备的重塑土样研究土的变形与强度特 性。 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 人工制备土样的优点主要有：试样均匀程度高，试验结果可比性好；同种试 样的试验能够重复进行；能够控制试样某一成份或饱和度，能部分模拟土的沉积结 构等：制备土样方便，花费较小。缺点是不能模拟地质历史时期的沉积过程与天然 环境的影响，不能完全反映土的实际组成成份及沉积结构与实际固结应力状态。尽管如 此，由于实验设备与实验技术水平的限制，为研究土性及其在不同荷载模式下的发展规 律，采用人工制备土样进行试验研究理论上是可行的，而且应用较为广泛。 在室内人工制备粘土试样，通常采用泥浆加压固结法和真空抽吸法两大类。h y d e 等、y a s u h a r a 等采用泥浆加压固结法制备粘土试样【t 3 - 1 s l ，制样过程主要分为三个步骤： ( 1 ) 将土烘干后碾碎成粉末，然后与脱气蒸馏水混和制成粘土泥浆。( 2 ) 将泥浆倒 入圆柱形固结模具，固结模具使用前用脱气蒸馏水除去气体，然后在底部的排水板放置 滤纸以阻止粘土颗粒阻塞排水板。当泥浆注满时，轻轻震荡固结模具以便释放由边壁进 入的气泡。再将上部排水板装入模具中，此时允许气体排出。( 3 ) 使用空气压力机施加 压力进行固结，固结完成后挤压到薄壁不锈钢桶中，通过蜡封保持含水量储藏。l i n 等 采用泥浆加压固结法直接制备空心圆柱状高蛉土试样，在试验时利用通c 0 2 、无气水和 施加反压等方法进行试样的饱和【1 6 】。目前真空抽吸制备粘土技术得到了发展，s h c a h a n 等在室内采用小型真空容器制备单个粘土试样f l 刀，闫澍旺等设计了室内真空预压粘土制 样方法 i s 3 ，都属于真空抽吸制样技术。与泥浆加压固结法相比，该法能够在较短的时间 内制备大量的比较均匀的粘土样品，泥浆中气体相对容易抽出，饱和度容易控制，而且 无需笨重的加荷设备，土样经切削后制成的试样无需再进行饱和处理。 1 2 2 关于饱和粘土在波浪作用下主要力学特性 在我国沿海深水航道治理工程中，采用导堤和丁坝结构形式，能起到导流、拦砂、 减淤的作用，是种比较理想的设计形式。但这些地区近代海积软粘土分布极为广泛， 在许多大型的近海、离岸海工建筑物的工程建设中常遇到软粘土地基。在波浪的往复作 用下，软粘土的强度降低，承载力下降，使原来稳定于其上的海工建筑物产生很大的附 加沉降，甚至失稳破坏。例如渤海湾的某石油管道原按不埋设设计，但由于地基在波浪 作用下发生了软化，使该管道沉入土中。又如上海某导堤试验段在遭遇较大的风浪作用 下，海底土的地基承载力下降，造成地基失稳。因此，软粘士在波浪作用下的软化问题 是一个亟待解决的问题。 海积软粘土是在河水流入海中时由于盐度的变化或静水环境中絮凝沉积而成的饱 和软粘土，极细的秸土颗粒具有胶体或准胶体性质，其主要物理力学特性是含水量高、 压缩性高、强度低、渗透性差，具有流变性，在波浪往复作用下出现软化的特性。对于 海洋吸力式沉箱在波浪作用下地基稳定性分析 软粘土的高压缩性，渗透性以及流变性等性质，目前的研究已经可以通过实验测定相应 的指标来定量评价实际工程稳定性，比较成熟、可靠。尽管早在1 9 6 8 年已经由t h i e r sa n d s e e d l l 9 】开始探讨了循环荷载下软粘土的软化特性，但是对软粘土的软化特性的研究进展 比较缓慢，至今仍没有一个可靠的评价波浪往复作用下软粘土软化的深度与程度的指 标，可以应用到实际工程中。目前的研究成果多是在室内的循环荷载作用下剪切试验所 得出的结果，而且对于不同的软粘土，不同的实验设备得出的实验结果不统一1 2 ”j 。离 心模型试验的孔压变化结果i 捌与循环荷载作用下的室内实验结果及善功企等研究成果 陬2 1 ，2 7 捌也有出入。尤其是试验中出现了超固结土在循环加载时产生负孔压，与此同时 土体的强度却大大降低这种现象f 4 7 ，硼，这很明显与有效应力原理相矛盾。因此，有必要 对波浪循环荷载作用下软粘土的软化效应进行系统的研究，即不仅需要从外在因素( 波 高、振次、频率、超固结比) 来描述软粘土的软化效应，而且还需要从软粘土土、水的 相互作用角度出发来研究孔压、结合水的变化规律。进一步地探索其软化机理，从而建 立一个具有更为广泛意义的评价软粘土的软化效应的指标，以利于工程应用。 般情况下，软粘土的地基的承载力均不能满足设计要求，需要地基加固处理，陆 上通过改善地基的排水条件1 4 9 】( 如打设竖向塑料排水板和铺设水平向排水砂垫层) ，并将 填土预压法和强夯法相结合加固软粘土地基已取得良好的效果胪0 】。但是由于波浪往复作 用下的软化效应和海上施工的精度，在海中使用此地基加固方法的效果有待于实际工程 验证。另外，为了节省施工耗费，有必要对该地基加固处理方法进行优化。该课题正是 在研究软化效应基础上，寻求低耗费、效果好的加固处理方法和利用有限元分析对已有 的工程措施进行优化选取，从而可见弄清波浪往复作用下粘土软化机理具有深刻的基础 性和重要工程意义。 国内外针对海洋土的特殊性，既复杂的海洋荷载条件，根据对不同海域粘土或粉质 粘土试样所进行的循环三轴和循环单剪试验，讨论了波浪荷载作用后不排水抗剪强度的 衰减机理及其规律。顾尧章1 4 7 】利用自振柱试验研究了海底饱和粘土剪切模量与固结压力 的关系；吴京平【3 l 】等利用三轴剪切试验研究了分布在大陆架和海岸线上的钙质砂颗粒 破碎及其对剪胀性和峰值强度的影响；刘崇权【3 2 , 3 3 l 等和虞海珍l 艚l 等对我国南海钙质砂进 行了一系列静、动力土工试验研究，发现钙质砂的压缩性高，剪胀性明显，受到颗粒破 碎、剪胀和颗粒重颞排列的影响，在波浪荷载作用下表现出循环活动性而不会发生流滑 现象：m a o l 2 3 l 等研究了平均和循环应力水平对细粒钙质土的循环特性的影响；王淑云刚 等对我国南海重塑击实粉质粘土进行了静、动三轴试验，探讨了不排水抗剪强度的衰化 特性；黄锋i 拍，蚓等通过控制应力路径的动三轴试验探讨了排水条件对海洋粉质土静、动 强度的影响，发现排水过程对正常固结粉质土具有一定的强化作用，不排水静、动强度 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 提高，而动孔压的发展速度会降低。对于近代沉积的淤泥质粘土，王建华等建议采用不 周结不排水的动三轴试验进行模拟。根据试验结果提出了剪切模量和阻尼比循环弱化的 粘弹性模型并用于海洋软土场地的稳定性分析：清华大学王洪瑾、沈瑞福 4 9 1 等人通过利 用双向振动的动力扭剪仪对动应力幅恒定、动主应力方向连续旋转的情况进行了研究， 他们着重研究了这种加载条件下土样中孔隙水压力的发展规律，通过对试验资料进行系 统的回归分析，将孔隙水压力表示为振动次数的函数或者是广义剪应变的函数。 对于波浪往复荷载作用下地基土的力学性状的研究主要集中在砂性土的液化破坏 方面，然而由于软粘土在波浪荷载作用下物理、力学性质的复杂性，对软粘土研究比较 少，主要有以下方面的研究及成果。t h i e r sa n ds e e d ( 1 9 6 8 ) u 9 】在对循环荷载下海洋软粘 土的应力、应变关系研究时，较早的提出了循环荷载作用下软粘土的软化问题。i d r i s s 0 9 7 8 ) 2 9 ，3 7 】等做了控制应变的循环荷载作用下的单剪试验，在所作的剪应力和剪应变 关系曲线中发现第1 次循环和第n 次循环有两个大小不同的滞回圈，为了估计强度衰减 的大小，根据这两个割线剪切模量的比值引入了软化指数1 37 j 概念。此后，m a 招u i ( 1 9 8 0 ) 闭等对塑性指数为5 5 的s e b r i 粘土进行了应力控制式循环荷载作用下的三轴剪切试验， 所使用的频率是o ，0 2 - - 0 5 h z 。试验结果表明循环荷载作用后孔压升高，不排水强度和变 形模量均发生衰减且模量的衰减比强度衰减的大，对于给定的循环次数，低频率荷载产 生较高的孔隙水压力和轴向应变刚。在此期间a n d e r s e n ( 1 9 8 0 ) 硎等对d i 锄瑚锄粘土 进行了大量的单剪及循环剪切试验也得出相似的结论，指出强度的衰减一般小于原强度 2 5 ，而对于加荷频率对孔压的影响，结论则有所差别，y a s t t h a r a ( 1 9 8 2 ) p ”等对a r i s k c 粘土( 塑性指数为5 8 ) 进行了应力控制式循环荷载的剪切试验，所使用的频率是o 1 l i - i z ， 试验结果却是加荷频率越高，孔压越大，与m a t a n i 的试验结果不一致；研究还认为循环 荷载下的饱和软粘土抗剪强度和变形模量受加荷频率影响比较4 d 2 ”。此外，y a s u l m r a ( 1 9 8 3 ，1 9 8 5 ) 1 3 5 , 3 9 】研究不排水条件下循环荷载引起的似超固结土的不排水抗剪强度，认 为由正常固结状态a 经循环荷载作用到菜一点b 与由另一固结状态d 卸荷到状态b 其 抗剪强度相似。a l ：7 2 - d l i z ( 1 9 8 9 ) 等进行的似超固结比a o c r = 4 和超固结比o c r = 4 的 不排水剪切试验表明两者的应力路径极为相似，循环荷载下的似超固结土的不排水抗剪 强度可以用相应的超固结土的结果来计算，这与y a s u h a r a p g , 4 0 等人的研究结果相似。 a n d e r s e n ( 1 9 8 8 ) 1 4 t , 4 3 对粘土的动力特性进行了比较全面系统的论述，主要有：动力试验 中选择荷载组合和试验手段的重要性：讨论了超固结对土的动力特性的影响；说明了动 荷载作用下粘土的动抗剪强度与静抗剪强度的差别及选择强度指标时应注意的问题等。 v u c e t i c ( 1 9 8 8 ) i 硼e ta l 对超固结土进行应变控制式的循环单剪试验时发现，在开始循环 加荷时可能产生负的孔压，而与此同时土体强度与刚度迅速下降，这很明显与有效应力 海洋吸力式沉箱在波浪作用下地基稳定性分析 原理相矛盾，文章认为其原因是当有效应力增加的同时，软化也发生了；该文还考虑了 超固结比和塑性指数对土体软化的影响，研究认为超固结比对土体的剪切模量有很大的 影响，即使是超固结比有较小的变化，也会引起土体模量的变化。善功企( 1 9 9 0 ) 【2 5 硐主 要针对砂性土分别从理论和试验研究角度揭示了地基液化现象的存在和产生机理，认为 在分析防波堤整体稳定性时，应考虑波浪作用下地基中的残余孔隙水压力所导致的抗剪 强度的降低。v u c e f i c ( 1 9 9 4 1 口日对粘土的循环剪应变门槛值进行了研究，发现粘性土的 门槛值取决于塑性指数，而与超固结比关系不大f 3 研。m a t a s o v i c ( 1 9 9 5 ) 删e t a l 对v n p 粘 土进行应变控制式的循环剪切试验，研究表明软化指数随加荷周数线性减小。l e f e b v r e ( 1 9 9 6 ) 脚j 在研究循环荷载下应变速率对土体的影响时表明，当应变速率增大，土体的不 排水抗剪强度也随之增加，也就是说加载速率影响土体的软化。闰树旺( 1 9 9 8 ) 口4 嗨对渤 海某海区的土层进行了离心模型试验研究软粘土的软化问题，结果表明土体中孔压反应 和波浪荷载之间没有发现相位差，并且土体中没有发现残余孔隙水压力有累计升高的迹 象，这一结果和善功企的研究结果有一定的差别。周建( 2 0 0 0 ) t 4 7 等使用h x 1 0 0 型多功 能伺服控制动静三轴仪，采用应力控制方式，对杭州软粘土进行了循环剪切试验，详细 研究了循环应力比、超固结比、加载频率对应变软化的效应，研究指出对于不同的循环 应力比，土体的轴向周期应变、孔压随加荷周数不断变化；随着加荷周数的增加，土体 的软化程度越高，但软化程度与加荷周数不成正比，这与m a t a s o v i c ( 1 9 9 5 ) 的试验结 果不一致。y a s u h a r ad s , 3 9 】对重塑的k e u p e rm a r l 低塑性淤泥质粘土分别在固结和超固结 条件下进行了应变控制的循环剪切试验，结果发现低塑性粘土在循环荷载作用下，刚度 的衰减比强度的衰减更为明显，使用循环剪应变参数比使用循环荷载引起的超静孔压能 够更好的评价循环作用后土体刚度的衰减。此外，最近有些研究者将研究兴趣放在软粘 土的强度折减幅度上，做了许多动三轴试验，以动三轴的实验结果来推测折减系数。 另外，各国学者在进行其他的复杂应力条件下土的动力特性研究中发现，主应力方 向连续旋转的变形在排水条件下往往比较大，在应力控制方式下中主应力对土的性质也 有很大影响，而且振动过程中的荷载施加方式和固结条件亦具有不容忽视的作用。 1 2 3 关于循环承载力 与传统的钢管桩基础相比，吸力式沉箱( 又称吸力桩、吸力锚或桶形基础) 、大圆筒 结构等基础型式具有适用土质范围广、运输与安装方便、工期短、造价低、可重复使用 等优点，逐步成为海洋建筑物主要基础型式。但这些新型基础型式的设计理论仍落后于 工程实践，地基士体的承载力计算方法与基础稳定性数值分析方法尚不成熟。s u k u m a r a a 等 5 0 l 、z d r a v k o v i c 等【5 l 】、s u p a c h a w a r o t e 等捌与t a i e b a l l 5 3 1 等通过有限元分析探讨了均质 一b 一 大连理工大学硕士学位论文 或非均质软土地基上吸力式沉箱的极限抗拔承载力，但在这些研究中一般均假定沉箱后 主动侧土体与结构之间不发生脱离，没有考虑沉箱外壁与土体之间的拉裂缝对极限承载 力的影响，也没有考虑沉箱内土塞与结构之间的摩擦接触。刘振纹【删采用有限元数值 方法对桶形基础的竖向和水平向极限承载力进行了分析，并将计算结果与模型试验结果 进行了对比。范庆来等口5 1 考虑大圆筒结构与土体之间的拉裂缝对大圆筒结构的水平极限 承载力进行了探讨。 为了深入探讨新型基础与软土地基的复杂相互作用，有限元等数值分析方法得到了 广泛应用。陈福全等1 5 6 】针对实际工程中采用的大圆筒码头结构型式进行了三维有限元分 析，探讨了大直径圆筒码头的工作性状，在分析中简体采用8 节点非协调元离散，简体 与土体界面采用三维刚塑性接触面单元模拟。王网等应用大型有限元软件m a r c 对单筒 和圆筒墙进行了有限元分析，圆筒墙根据平面应变问题考虑，对多种情况下圆筒墙抗倾 覆系数进行了研究。但是上述研究都采用m o r h - c o l l l o m b 材料本构模型模拟地基土体，模 型反映的材料属性是一种线弹性一理想塑性，并不能考虑地基土体不排水强度的各向异 性与非均质性，而且没有考虑波浪等循环荷载作用下软土地基的动力响应以及循环荷载 作用对土体刚度、强度衰减的影响。 为了考察单调与循环荷载联合作用下，饱和粘土强度软化对重力式基础承载力的影 响，a n d e r s e n 等垆7 j 提出循环剪切强度的概念，并据此提出了拟静力极限平衡分析方法。 刘振纹 5 4 j 采用循环剪切强度概念，通过不固结不排水条件下的循环三轴试验探讨了循环 强度与初始静应力、循环次数的关系，并以此为基础，采用m i s e s 弹塑性模型，对软土 地基上桶形基础的循环承载力进行了分析与探讨。在分析中，通过静力计算确定地基中 静应力分布，进而根据静应力与循环强度的试验关系，在给定的循环次数下确定地基中 各个单元的循环强度，以此循环强度作为判据，考虑建筑物自重和波浪循环荷载的共同 作用，通过有限元计算确定地基承载力。刘海笑等【5 8 l 将改进h a r d i n i ) m e v i c h 模型引入 等效线性化计算方法，同时考虑荷载频率、循环次数以及土体平均有效应力的影响，对 地基一大圆筒结构耦合系统进行了动力有限元分析，着重探讨了土体刚度衰减与筒土界 面处土体强度软化对于结构动力响应的影响。范庆来等f 捌采用循环强度概念，建议了非 线性弹塑性循环强度模型，并在大型有限元软件a b a q u s 上进行了二次开发，基于拟 静力分别建立了循环承载力计算模型。李驰首先在不同试验应力状态下，对饱和软粘 土循环强度、循环破坏准则以及循环变形累积变化规律进行探讨，阐明不排水条件下饱 和软粘土的破坏遵循m i s e s 屈服准则，并且证实建立在某种试验应力状态下的饱和软粘 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；运用这些研究成 一9 一 海洋吸力式沉箱在波浪作用下地基稳定性分析 果，把循环荷载对地基土的作用看作其强度的变化，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。 综上所述，在对新型基础的稳定性数值分析中，目前对单调荷载作用下极限承载力 的研究较多，而对循环荷载作用下循环承载力与残余变形的研究相对较少。在进行数值 分析时土的本构选择是关键，采用等效粘弹性本构模型模拟土体，不能考虑结构与地基 耦合系统的残余变形与孔隙水压力的影响。然而由于土的组成与成因、力学性状的复杂 性，目前建立一个普遍适用的本构模型是不现实的，应针对某一类土、某一问题建立土 的本构关系，采用合适的数值算法对新型基础进行稳定性分析，这样才比较合适。 1 3 研究目的与研究内容 ( 1 ) 研究目的 海洋原状土样的获取耗资巨大，然而即便是对于取得的原状土样，在土工试验与分 析时仍然存在诸多问题，例如原状土样成份不均一，而且饱和程度往往较低等，并且试 验时需要对试样进行真空处理使其饱和，试样经过如此处理后很难在反映原位实际应力 状态，而对于实际的非饱和土样目前无论在实验技术还是计算理论方面尚处于探索阶 段。因此，很有必要探索改进室内粘土试样的制各技术，制备适合土工试验需要的粘土 试样，为进一步系统地研究饱和粘土强度与变形特性提供物质保障。 海洋软土地基的承载力研究具有重要工程实际意义，本文通过在对饱和粘土试样在 循环荷载作用下的变形与强度特性进行探讨的基础上，通过有限元软件对吸力式沉箱地 基承载力进行特性进行数值分析，为工程应用提供参考。 ( 2 ) 主要研究内容 围绕波浪荷载作用下粘土地基出现的失稳问题，本文着重对饱和粘土试样制备技 术、循环剪切破坏特性及吸力式沉箱地基承载力问题进行了较为深入的探讨。 饱和粘土制样技术的改进 试样的均匀性与饱和程度对于室内土工试验结果有重要影响。通过对比泥浆加压固 结制样法与真空预压制样法工作机理的优缺点，在吸取真空预压制样法使用经验的基础 上，对粘土制样设备的设计方法进行了改进，并就初试预剪应力对粘土变形特性影响和 复杂应力条件下粘土应变破坏标准进行了探讨。 粘土循环变形计算模型的二次开发与吸力式沉箱下覆地基承载力的有限元分析 通过大型有限元通用软件a d i n a 提供的用户子程序接口，结合软件给出的许多材料 本构模型的开发实例。对非线性弹性一理想塑性双曲线模型的二次开发进行了探索，进 而根据需要对循环软化总变形计算模型进行了数值实旌，详细阐述了循环软化总变形的 大连理工大学硕士学位论文 计算方法与步骤。基于广义剪应力等效原则，建立了土工试验中试样的受力与实际土单 元体受力的等效关系，并以此为基础，建议了吸力式沉箱基础及其下覆地基的有限元计 算模型，对沉箱基础及其下覆地基的竖向与水平向单调承载力进行了数值分析。 海洋吸力式沉箱在波浪作用下地基稳定性分析 2 室内粘土试样制备技术改进及试验设备 海相软粘土组成成份及其结构复杂，通常表现为高孔隙比、高含水量、高塑性指数， 而且强度低，渗透性差，具有流变特性，在波浪等循环荷载作用下易于发生循环软化等 不良工程特性。目前，国内对海相粘土的系统研究较少，主要原因可以归结为两个方面： 海底软粘土原状样难以获取、花费大且易扰动，尽管通常借鉴陆相粘土的土工试验参数 进行工程设计，但可靠性有待于论证；同时缺乏成熟的室内软粘土制样技术，不能保证 人工制备土样的饱和度与均一性，而且对于实际工程，制备的软粘土试样缺乏代表性。 为此，论文对现有的室内粘土制样技术进行了改进，以期克服其固有缺陷，提高制备试 样的质量。 土力学是一门试验性很强的学科，离开了试验和测试就无法发展，土力学的发展必 须将理论和实验紧密结合起来。因此，开发研制先进的土工试验设备，实现各种实际的 初始应力状态和复杂的循环应力模式，对土的变形与强度特性进行研究，日益受到关注 和认可。这是深入研究复杂荷载条件下建筑物地基的静、动力响应及其稳定性分析的基 础与前提，因而根据现有试验条件和研究内容，论文合理选用了试验设备和设计了试验。 2 1 粘土试样制备技术改进 通常获取原状土样花费较大，然而原状土样在土工试验与分析时仍存在诸多问题， 例如土样成份不均一，可比较性差，而且原状土样的饱和程度往往较低，土工试验时需 要对试样进行真空处理使其饱和，经过如此处理的试样很难反映实际应力状态，而对于 实际的非饱和土样目前无论在实验技术还是计算理论方面尚处于探索阶段。因此采用 实验室土样制备技术制备粘土试样，对人工制备的土样进行试验研究，是目前探索饱和 土的变形与强度特性及其一般特征的一种有效途径。 2 1 1 室内常用粘土试样制备技术 在2 0 世纪8 0 年代，室内土工试验常采用泥浆加压固结法制备粘土试样1 4 6 4 8 ，h y d e 制备粘土试样的过程主要由以下三步组成：粘土泥浆的制备：对所用土样进行烘干 处理后碾碎成粉末，采用旋转式分离机除去大于o 0 6 3 m m 颗粒，得到含量约为2 8 的 小于2 9 m 的粘土颗粒，然后与脱气蒸馏水混和，制成含水量6 2 的粘土泥浆。将泥 浆注入圆柱形固结模具；固结模具使用前用脱气蒸馏水除去表面气体，为防止粘土颗粒 阻塞排水板通道，在位于底部的排水板上放置滤纸，当泥浆注入时须保持滤纸以上的水 面为2 3 m m ，以阻止气体进入滤纸。当泥浆将要注满时，轻轻震荡固结模具3 0 s ，以便 使由边壁进入的气体释放出去，最后将上部捧水板安装到模具上。泥浆固结：使用 大连理工大学硕士学位论文 空气压力机施加大约1 8 0 k p a 的固结压力，采用位于顶部的压力传感器量测施加压力大 小，这种量测方法可以不考虑活