（岩土工程专业论文）循环荷载作用下软粘土地基桶型基础变形的计算研究.pdf

中文摘要 目前，桶型基础由于其优越性已经越来越广泛的应用到近海工程中，而对 软粘土中的桶型基础，尚未有很好的方法来评价其循环承载力。本文研究一种 将循环累积变形等效为蠕变的方法来计算在循环荷载作用下软粘土地基中桶型 基础的变形，通过变形计算来评价其循环承载力。 首先，通过桶型基础模型试验，来研究桶型基础的破坏特性。本文介绍了 模型试验中土池的制备、桶的沉贯及循环荷载试验的方法等。通过试验测得桶 型基础在动静荷载作用下的变形，其中的循环累积变形与蠕变有相似的规律， 为变形的计算提供依据。 其次，建立循环累积应变与其相关因素的关系式。本文针对模型试验所用 土进行不固结不排水循环三轴试验，测得其在不同的动静应力组合下的循环累 积应变特性，建立了该应变与动应力、静应力及循环振次的关系。 最后，用有限元分析方法模拟模型试验，采用该等效方法计算桶型基础在 动静荷载作用下的变形。从计算的结果中，提取同一静荷载同一振次下不同动 荷载产生的变形，按照一定的破坏标准来评价桶型基础的循环承载力。将计算 的结果与模型试验的结果进行比较，来检验该方法的合理性。 本文验证这种计算循环荷载作用下软粘土地基桶型基础变形的简便方法 是可行的。用该方法计算软土地基中桶型基础在动静荷载作用下的变形可以较 好的评价其循环承载力。 关键词：桶型基础；模型试验；循环累积变形；有限元计算 a bs t r a c t n o w a d a y s ，b u c k e tf o u n d a t i o n sh a v eb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l yi n t h e o f f s h o r ee n g i n e e r i n gd u et ot h e i rs u p e r i o r i t i e s ，b u tt h e r ei ss t i l ln o tag o o dm e t h o d t oe v a l u a t ec y c l i cb e a r i n gc a p a c i t i e so fb u c k e tf o u n d a t i o n si n s o f tc l a y i n t h i s p a p e rt h em e t h o db yw h i c hc y c l i c a c c u m u l a t i v ed e f o r m a t i o n sw e r ee q u a l e dt o c r e e p sw a ss t u d i e dt oc a l c u l a t ed e f o r m a t i o n so fb u c k e tf o u n d a t i o n si n s o f tc l a y u n d e rc y c l i cl o a d s ，a n db e a r i n gc a p a c i t i e s w e r ee v a l u a t e db yd e f o r m a t i o n c a l c u l a t i o n s f i r s t l y ，f a i l u r ec h a r a c t e r so fb u c k e tf o u n d a t i o n sw e r es t u d i e db yas e r i e so f b u c k e t f o u n d a t i o nm o d e lt e s t s t h ep r e p a r a t i o no ft h es o i lt a n k ，t h ep e n e t r a t i o no fm o d e l b u c k e ta n dc y c l i cl o a d i n gt e s t sw e r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r d e f o r m a t i o n so f b u c k e tf o u n d a t i o n su n d e rs t a t i ca n dc y c l i cl o a d sw e r eo b t a i n e db ym o d e lt e s t s ，a n d r e s u l t so ft e s t ss h o w e dt h a tc y c l i ca c c u m u l a t i v ed e f o r m a t i o n sw e r es i m i l a rt o c r e e p s ，w h i c hp r o v i d e dar e f e r e n c et oc a l c u l a t i o n so fd e f o r m a t i o n s s e c o n d l y ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc y c l i ca c c u m u l a t i v es t r a i n sa n dt h e i rr e l a t i v e f a c t o r sw a se s t a b l i s h e d i nt h i sp a p e ru n c o n s o l i d a t e du n d r a i n e dc y c l i ct r i a x i a lt e s t s o ft h es o i lu s e di nm o d e lt e s t sw e r ec o n d u c t e du n d e rd i f f e r e n ts t a t i c a n dc y c l i c l o a d st os t u d yc h a r a c t e r so fc y c l i ca c c u m u l a t i v es t r a i n s a n dt h er e l a t i o n s h i pw a s e s t a b l i s h e da m o n gs t r a i n s ，c y c l i cs t r e s s e s ，s t a t i c s t r e s s e sa n dt h en u m b e r so f c y c l e s f i n a l l y ，m o d e l t e s t sw e r es i m u l a t e du s i n gt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，a n d d e f o r m a t i o n so fb u c k e tf o u n d a t i o n su n d e rs t a t i ca n dc y c l i cl o a d sw e r ec a l c u l a t e d u s i n gt h ee q u i v a l e n tm e t h o d d e f o r m a t i o n sp r o d u c e db y d i f f e r e n tc y c l i c l o a d s u n d e rs a m es t a t i cl o a d sa tt h es a m e n u m b e ro fc y c l e s w e r ep i c k e du pf r o m c a l c u l a t i n gr e s u l t s t h e nc y c l i cb e a r i n gc a p a c i t i e sw e r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt o t h ec e r t a i nf a i l u r ec r i t e r i o n ，a n dc a l c u l a t i n gr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo f m o d e lt e s t st oa n a l y z et h em e t h o d sr e a s o n a b i l i t y i t i sf e a s i b l et oc a l c u l a t ed e f o r m a t i o n so fb u c k e tf o u n d a t i o n si n s o f tc l a yu n d e r s t a t i ca n dc y c l i cl o a d su s i n gt h i se q u i v a l e n tm e t h o d ，a n dc y c l i cb e a r i n gc a p a c i t i e 8 o fb u c k e tf o u n d a t i o n si ns o f tc l a yc o u l db ew e l le v a l u a t e du s i n gt h i sm e t h o d k e yw o r d s ：b u c k e tf o u n d a t i o n ；m o d e lt e s t ；c y c l i ca c c u m u l a t i v ed e f o r m a t i o n ； f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t 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，也不包含为获得墨鲞苤堂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。 日一繇邓昆铆期：l 印7 年媚， 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权苤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) 一虢多1 现 答字日期：叩年w 厂日 新签名：乏癣 签字蹶唧年砂月，日 第一章绪论 1 1 桶型基础的简单介绍 第一章绪论 随着海洋石油工业向深水的发展，传统的重力式基础或者桩基础越发的不 适合于应用在海洋平台技术上，其局限性主要体现在以下三个方面： ( 1 ) 海洋平台通常要建立在软土地基上，这种地基多为淤泥质软粘土，具 有含水量高、可压缩性高、渗透性低、抗剪强度低的特性，如果使用传统基础 的形式，势必会造成很大的工程量； ( 2 ) 海洋气候条件的复杂多变性，在增大施工难度的同时，也延长了施工 工期； ( 3 ) 从经济方面考虑，随着海洋石油平台向深海发展，传统形式的基础的 建造难度也随之加大，进而将会导致工程造价的大幅度提高。 由于上述的几个主要因素，需要一种新形的基础形式来代替传统的重力式 基础或者桩基础，桶型基础作为一种新形的基础较好的满足了海洋石油工业向 深水发展的要求。 1 9 9 4 年7 月，在挪威北海水深为7 0 m 的区域，欧洲管网( e u r o p i p e ) 1 6 11 一 e 大形导管架平台建成 1 - 4 ，并投入使用，标志着一种导管架工程新技术一桶型 基础的产生。该新形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 l i n s t i t u t e ( n g i ) 研究成功的，该导管架平台如图1 一l 。 一? 鎏翼一 图1 2g u l l f a k sc 重力式结构 第一章绪论 由于欧洲管网1 6 1 1 一e 大形导管架平台的基础外形像一只倒扣在土中的桶， 因此称之为桶型基础。其实这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。桶型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 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，先后在致密韵砂土和超固结粘土上建立了1 2 个重力式 带裙基础结构物，但这些裙深均不足45 m 。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 地挪威国家石油公司( s t a t o i l ) 地格尔范克斯 c ( g u l l f a k sc 1 重力式平台( 如图1 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( t o r i n g et j e r a ) 和首席结构工程师拔尔海姆( m e r t e n b a r h e i m ) 提出了发展钢导管架桶型基础的新构想。1 9 9 2 年4 月在斯诺拉( s n o r r e ) 油田水深3 l o m 的深水区建造了张力腿平台f t h et e n s i o nl e gp l a t f o r m ( t l p ) ，如 图l 一3 1 混凝土基础，同对在3 3 5 m 的深水区建造了海底卫星操作平台 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 ns y s t e m ( s p s ) 】。 一 毋炒 图1 3 张力腿平台 我国从二十世纪九十年代后期开始了桶型基础的试验研究工作，中国石油 天然气总公司根据我国海上油田的实际情况，开始了应用橘型基础平台的研究 工作，提出了将桶型基础技术用于开发滩海油田的设想p 。由中国石油天然气 总公司支持先后在胜利油田和渤海油田的浅海地区进行了试验研究。胜利油 田的浅海地基土性以砂质粉土为主，主要进行了桶型基础模型的沉贯试验1 6 - 8 1 。 随着这一系列桶型基础应用的成功人们对桶型基础的施工方法有了更好 的理解和认识，对其各方面的研究也深入、细致。海洋环境中桶型基础受波浪 第一章绪论 等循环荷载的长期作用，期间孔压的累积会引起砂质海床的液化，或者使海洋 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型基础承载力 有明显下降，循环荷载的作用也可能使桶型基础底部区域的负压降低，从而导 致桶型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， 对桶型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 桶型基础在循环荷载作用下变形的研究 在实际工程中，桶型基础地基长期受波浪、风等循环荷载的作用，荷载作 用时间长，对其变形的影响尤为显著，而变形的发展会影响到桶型基础的承载 力，因此对桶型基础软土地基变形的研究格外的重要。其中，对地基在循环荷 载作用下的累积变形的计算是解决问题的关键。 土体的循环累积变形是一个复杂的过程，目前主要从两个方向来进行研 究，一是详细跟踪每一次动荷载作用过程，建立相应的动应力一动应变关系， 进而求得动荷载作用下土体的变形，但这种方法由于计算量巨大，特别是对于 循环次数达几千甚至上万次的波浪荷载，还可能造成很大的计算累积误差，因 此无法应用于地基土体的累积变形计算分析中。二是只考虑每一次循环后的累 积应变，通过建立循环累积应变关系式，来进行土体累积变形的计算，目前， 一些学者用这种方法来计算由地震荷载引起的地基累积变形。桶型基础应用于 软土地基中，其受到的波浪荷载与地震荷载相比，作用时间长，循环次数多， 第二种思路更为适合。在弹塑性模型的基础上加入由试验得来的循环累积变形 的计算模型，即用弹一粘塑性体来描述循环荷载作用下土体的应力一应变关系。 弹一粘塑性体总的变形可看成两部分组成：占= 占。+ 占节，其中，占。为弹性应 变；占印为粘塑性应变。对于弹性应变，可以采用线弹性来进行计算。粘塑性体 应变占节分为塑性应变占p 和粘性应变占”两部分，塑性变形与时间无关，并且已 经验证了饱和软粘土在不固结不排水条件下的屈服准则可以选用m i s e s 准则【9 】： 而用粘性变形来描述与时间有关的循环累积变形。在计算循环累积变形时，将 循环累积变形与静力荷载作用下的蠕变相等效，通过试验建立循环累积变形与 循环次数、静应力状态、动应力等相关因素的关系式，这样对循环累积变形的 计算就相应的等效为对蠕变变形的计算，循环累积变形的计算即用粘塑性变形 中的粘性变形来反映。计算循环累积变形的关键在于此等效蠕变模型的建立， 下面先简单介绍有关蠕变的一些理论。 第一章绪论 1 2 1 蠕变的一般理论 固体力学中习惯于将与时间有无关系作为区分蠕变与塑性应变的准则，这 里把循环累积变形等效为蠕变，是为了更方便的研究这种与时间( 循环荷载作 用次数) 有关的塑性变形。进一步讲，这里的蠕变与塑变有着更为紧密的联系。 早在上世纪六j 七十年代，z i e n k i e w i c z t l 0 1 等人在研究弹性体中的粘塑性变 形时，就借助了经典塑性理论中的塑性势的概念，指出： 节 a q ( o - , j ) 占= d ；t 卫 8 a 4 甲 式中：s 一粘塑性变形率；q ( ) 一塑性势函数；d 旯一与单向粘塑性变形率有 关的标量。 塑性变形发生在屈服面上，而蠕变可以发生在任何应力水平上，在相应的 应力水平上有相应的有限的蠕变率。塑性应变增量可以从塑性势函数q ( 仃。) 关 于正i 的偏导数求得。12 1 ，用类似的方法可以求得蠕变应变增量。 饱和软粘土在不固结不排水条件下的屈服准则符合m i s e s 准则，塑性势函数 1 3 1q ( q ，) = 以。塑性势面实际上是一个等势面，在它上面，q ( ) 保持常值，过 每一点只能有一个等势面，即等势面不可能相交，故外法线方向是唯一的。若 q ( ) 与屈服函数相同，则采用了相关流动法则；若q ( 呒，) 与屈服函数不相同， 则采用了不相关流动法则。 假设蠕变势面是屈服面以内一系列与塑性势面平行的等势面，每个等势面 上蠕变势函数q ( q ，) = 1 2 恒为某一常值，这个常值便是由相应的蠕变试验确定的 参数。同样，过每一点只能有一个蠕变等势面，即蠕变等势面不可能相交，故 外法线方向也是唯一的。蠕变应变增量可以从蠕变势函数q - ( q ，) 关于q ，的偏导 数求得，即： 一 aq(q，)ds = 五二二卫 o a b ( i - 2 ) 现在国内外对蠕变变形的研究已经比较深入，对蠕变现象比较熟悉，用计 算蠕变的方法来计算循环累积变形无疑是一种简单的计算方法，下面就来介绍 第一章绪论 这种等效计算方法的依据及研究现状。 1 2 2 循环累积变形等效为蠕变的依据及研究现状 循环荷载作用下，随着循环荷载的加、卸载，土体的变形也随着增长、减 少。但每一次循环都会产生一定的残余变形，即每一次循环卸载之后土体变形 不能恢复到加载前，每一次循环荷载作用后残余变形有所增加。如某一土体在 一定静荷载作用下受循环荷载作用( 如图1 4 ) ，土体某一点处的位移随循环振 次的位移如图1 5 所示，随着荷载变化而变化，总的看来，幅值在逐渐增加。 若不追寻每一次的循环的实际过程，只将每一次循环作用后的残余变形记录下 来绘于图1 5 中，得到循环累积变形与循环振次的变化关系，如果把循环振次 看成时间，则循环累积变形的就可看成与时间有关系的不可恢复变形，这种现 象与静力条件下的蠕变是相似的。通过试验可以到这种循环累积变形与相关因 素( 如循环振次、初始荷载及循环荷载等) 得关系，便可用计算蠕变的方法来 计算循环累积变形。 图1 4 循环荷载 第一章绪论 图1 - 5 土体中某点循环变形、累积变形随循环振次的变化 国内外学者对长期循环荷载作用下的循环累积变形进行了很多的研究。通 常采用经验拟合法，建立残余变形与土的初始固结特性、静应力状态、动应力 及循环次数的关系的拟合曲线。已有的研究结果表明 1 4 - 15 】，一种合理的计算循 环累积变形的计算模型应当考虑到循环荷载的作用次数、土的类别、土的物理 状态以及应力历史等因素的影响。以往的研究多基于m o n i s m i t h 1 6 】提出的指数 模型，如下式： 占“= a n 6 ( 1 3 ) 式中：占”一循环累积变形，为循环加载次数。此式主要说明了循环加载次数 的影响，对于其它各种影响因素的描述包含在系数彳和指数b 中，物理 意义模糊。 l i , ds e l i g t l7 1 考虑土体的类形和物理状态的影响，引进土体静强度参数，提 出式( 1 3 ) 中a 的计算公式为： 时 m 4 ， 式中：吼一循环荷载产生的循环动应力；g ，一土的静破坏偏应力；口、m 一常 数。口、b 和朋与土的塑性参数相关，通过试验l i 和s e l i g 对这些参数 提出了建议，列于表1 1 中。 第一章绪论 表1 - 1l i 和s e l i g 建议的计算参数 c h a i 和m i u r a 1 4 1 又在l i 和s e l i g f l 勺模型基础上，考虑到土体的初始静偏应力， 提出了修正公式： 口m + 小 式中：吼一初始偏应力。该式考虑了初始偏应力的影响。 ( 1 - 5 ) p a r r 等 1 8 - 19 对伦敦粘土进行分析时，考虑循环累积变形应变速率和循环加 载次数的关系，对循环三轴试验结果进行整理，如图1 - 6 。得出下面的关系式 ( 1 6 ) 。 翻 蔷 童 图1 6 应变速率和加载次数的关系 t 。g 章 = t 。g c + f - 。g ( 1 - 6 ) 式中：是次循环累积变形的应变率，r 是第一次循环加载的累积变形的 第一章绪论 应变率，为循环加载次数，c 和f 是试验常数，当= 1 时，可以得出 c = 1 。 黄茂松等【2 0 3 类似的方法对上海第标准层的灰色淤泥质粘土进行研究，得 出其在固结不排水条件下的循环累积变形应变率符合下式： 。g 睁崦 m 7 ， 式中，提出了第一次循环累积应变，将循环a n 载动应力大小和应力历史等因素 的影响包含在第一次循环累积应变中。通过试验及归一化处理，得到试 验常数斜率b 为o 5 9 2 8 - 0 6 9 2 4 。忽略试验中不确定因素的影响，斜率b 1 3 课题的研究意义及主要工作 桶型基础作为一种新形的海洋平台基础，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型基础的循环承载 力将直接关系到桶型基础的应用和推广。 挪威土工研究所从理论和实验两方面，对桶型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型基础的循环承载力。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【2 1 】利用这一 方法，通过平面应变有限元计算对桶型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，通过桶型基础模型试验得出几种尺寸的桶 型基础在不同荷载组合下的循环累积变形随循环振次的发展关系。针对模型试 验中制备的粘土，依据不同试验应力状态下的循环三轴土动力试验，得出饱和 软粘土的强度等各项参数以及在不固结不排水条件下循环累积变形与循环振 次、动应力和初始静应力等相关因素的关系。然后对模型试验进行有限元建模， 利用循环三轴试验得出的关系，来计算桶型基础在不同荷载组合下的变形。将 第一章绪论 计算后的变形与模型试验的结果进行比较分析，参照一定的破坏标准，对桶型 基础的承载力进行分析。 主要研究内容分为以下三个方面： ( 1 ) 采用真空预压，制备饱和软粘土土池，进行不同荷载组合下的模型试 验。 采用滩海地区的软粘土，通过真空预压的方法制备土池，以进行模型试验。 制备过程中，要尽可能满足土质均匀、土体饱和的要求，土池制备的良好与否 直接影响导模型试验的质量。因此，做好土池制备工作是模型试验首先要解决 的重要问题。而真空预压的方法是一种制备室内大形土池的有效方法，真空预 压方法的原理及操作方法也需要进一步的了解研究。需要通过真空预压制备一 些小模型土箱的尝试，对真空预压方法制备土池的工艺及原理有深一步的认识， 然后进行大形模型土池的制各。土池制备完成，检验土性参数满足试验要求， 便可进行各种桶型基础的模型试验。试验中，需要对桶型基础的静承载力进行 确定，然后进行不同荷载组合下的循环动力试验，以研究桶型基础的破坏模式、 变形的发展趋势以及其在一定破坏标准下的循环承载力。 ( 2 ) 研究不排水条件下饱和软粘土循环累积变形特性。 由于不同的土的各种特性一般存在较大的差异，虽然前面做过这方面的工 作，但针对模型试验土池中的饱和软粘土，还需确定各项参数。在不固结不排 水条件下通过进行各种应力条件下的循环三轴试验，找出循环累积变形的发展 规律。然后通过对试验结果的处理，建立不固结不排水条件下饱和软粘土循环 累积变形随初始静荷载、循环荷载及循环振次等相关因素的变化关系。由于前 面已经证实了这样建立的变化关系不受试验应力状态的影响，可以推广到一般 应力状态下。因此可以用来计算模型试验桶型基础的变形。 ( 3 ) 针对桶型基础模型试验，计算在相应组合下的地基变形的计算。 根据模型试验的实际工况进行有限元模拟建模，采用上述循环三轴试验得 出的循环累积变形关系，计算在相应的试验荷载下的地基变形。计算的结果与 模型试验进行比较分析，检验这种方法的准确性，以便可以计算任意情况下的 变形，进而由变形按一定的破坏标准评价桶型基础的循环承载力。 第二章桶型基础模型试验 第二章桶型基础模型试验 通过模型试验可以更好地了解桶型基础在循环荷载作用下地基的破坏模 式，研究其循环承载力及变形的特点。本模型试验采用天津塘沽滩海地区的淤 泥质粘土，通过真空预压的方法制备大形土池作为桶型基础的地基。土池制备 完成后，在其上负压沉桶，然后施加不同种组合的荷载来研究桶型基础地基的 循环破坏特性。本章主要对模型试验的准备、过程以及结果进行介绍。 2 1 模型试验土池的制备 在室内采用建筑模板搭制土槽，尺寸为1 8 mx1 8 mx2 1 m ，内部安置橡胶 袋。在橡胶袋内底铺土工布，土工布上方设排水管路，将排水管路引出接至储 水罐，再与真空泵相连。排水管路上铺土工布，并在土工布上方铺砂作为滤层， 滤层厚2 6 0 m m ，再在滤层上方铺土工布，以与制备的泥浆隔离。在橡胶袋内四 周布置土工布作为排水路径，然后倒入制备的泥浆。制备的软粘土采用天津塘 沽滩海地区的淤泥质软粘土，先将其配制成含水量为8 0 8 6 的泥浆，分层 倒进橡胶袋内，直至达到预定深度。土达到深度厚，在土的表面铺设土工布， 最后密封橡胶袋。图2 1 为土池制备装置示意图，图2 2 为土池示意图。真空 预压制备土池持续两个月，打开密封的橡胶袋。从土池不同位置不同深度取土， 由静三轴试验按土样轴向静应变达到1 5 确定其剪切强度( 轴向应力应变曲线 如图2 3 所示，其中图例代表所取土在土池的位置和深度，如“东1 1 0 m 表 示土池东部1 1 0 m 深处) ，土的其它参数也由相应的试验测得，具体值都列于 表2 1 中。 第二章桶型基础模型试验 1 5 老泵罐2 6 羹鐾蓁；鋈浆阀门4 8 秦亲肴门 储汞罐真空泵7 进水阀门 韵 水阀门 图2 1 土池i t i 0 备装置示意图 图2 2 土池示意图 面 、i 蝴二， 图2 3 土池内不同位置处土的应力应变曲线 毋也芒一，u-，三o= 第二章桶型基础模型试验 表2 1 真空预压后土的基本物理力学指标 2 2 模型桶 本模型试验所采用的模型桶的尺寸如表2 2 所示，桶高径比为1 5 。模型桶 顶部除预留一个直径为1 2 m m 与真空设备相连的抽气孔外，其余整体密封，同 时在模型桶顶面圆心处焊接一竖向滑道，滑道顶端有一4 0 0 m r n x 4 0 0 m m 的平台 用以模拟实际桶型基础的上部平台荷载。 表2 - 2 模型桶的各项参数 2 3 循环加载及测量装置 2 3 1 竖向循环加载及测量装置 使用h x - 10 0 电气伺服控制静动力多功能三轴仪加载装置，在桶顶施加静、 动载荷，动荷载为0 1 h z 的竖向正弦循环荷载。在桶顶安置l v d t 位移传感器， 用以采集模型桶顶面在竖向循环荷载作用下产生的竖向位移，如图2 4 所示。 度 一 强 竺 切竺5埔坐 平 一 限 一 燧旦撕 平 一 限 一 液竺均，一“ 平 一 水 一 含丝。均量一6 平 一 重，一 容锄一7 第二章橘型基础模型试验 鼗 圈2 - 4 竖向循环加载及测量装置图2 - 5 水平循环加载及测量装置 232 水平循环加载及测量装置 使用h x 一1 0 0 电气伺服控制静动力多功能三轴仪加载装置施加01 h z 的水 平向正弦循环荷载。试验时，力传感器前端的钢制小球与模型桶上的竖向滑道 相连，以完成对桶施加水平循环荷载的同时允许桶产生竖向自由沉降，图2 - 5 是模型试验加载装置与传感器布置示意图。在滑道侧壁安置了两个l v d t 位移 传感器，用以采集模型桶在水平循环荷载作用下产生的水平位移，并借此确定 基础顶面的水平位移。在模型顶部加载平台上通过重物施加试验所需的竖向荷 载。在桶顶部安放一个百分表，监测模型桶在水平循环荷载作用下的竖向沉降。 2 4 桶型基础循环承载力模型试验过程 已有研究表明，桶型基础循环承载力的大小取决于桶型基础的静承载力以 及循环荷载作用前所受到的静荷载的大小等因素。为此选择不同的静荷载分别 进行循环承载力模型试验，需要做的工作如下： ( 1 ) 测定桶型基础竖向及水平静承载力： 由于桶型基础的静承载力制约着其循环承载力的大小，在进行循环承载力 试验之前，需要测定其静承载力的大小。利用负压方法将桶沉入制备土池中， 为恢复沉贯过程对地基土体扰动带来的影响基础沉入地基后静置三天。采用 单调分级加荷试验方法确定基础的竖向极限承载力与水平静极限承载力日一 ( 2 ) 进行循环承载力试验： 同样需要负压沉桶，静置三天后，参考基础的静承载力，给基础施加一定 占 第二章桶型基础模型试验 的竖向静荷载矽。当静荷载作用下的桶型基础位移稳定后，参考基础的静承载 力，给基础施加循环荷载e ( e 表示循环荷载幅值) ，直到桶顶的在循环荷载作 用下位移达到规定的破坏标准为止。试验过程中，利用计算机a d 转换技术记 录循环荷载、竖向或水平位移以及循环次数。每次试验后，利用正压将桶拔出 土层，然后对对试验处的土层进行平整并静置恢复4 天后再进行下一次试验沉 桶。两次试验间隔时间为7 1 0 天。 2 5 试验结果与分析 2 5 1 竖向循环试验结果与分析 首先介绍四组单桶竖向循环承载力试验，其试验过程如2 4 节所描述，具 体施加静、动荷载的大小及初始静位移如表2 3 所示，其桶顶中心处竖向位移 如图2 - 6 和图2 7 所示。 表2 3 四组桶型基础竖向循环荷载试验相关数据 蔓墼塑曼坚旦壁垄望匕! 丝垫丝坚旦垡整! 竺竺坚塑堡至垄望互! 丝 试验一3 61 33 6 5 试验二5 02 62 8 5 试验三842 03 9 5 试验四5 1 71 23 9 0 图2 - 6 试验一桶顶中心竖向位移随循环振次的变化曲线 第二章桶型基础模型试验 图2 7 试验二至四桶顶中心竖向位移随循环振次的变化曲线 试验中发现由于土池中土的不均匀性以及时间、沉桶等各方面原因，导致 橘型基础的静承载力不能统一。图2 - 8 给出了三组竖向静承载力试验得到的曲 线。三组试验是不同时间，在模型试验土池的不同位置进行的。若以各组试验 中桶型基础竖向位移达到破坏标准( 以桶径5 ，8 m m 为破坏标准) 时的荷载r 为归一化参数t 将三组试验结果重新进行整理并绘于图2 - 9 中，可以看出三组 结果的趋势基本上是一致的，模型试验中桶型基础的竖向静承载力便由该归一 化曲线为基准进行判断。 图2 - 8 竖向静承载力试验曲线图2 - 9 竖向静承载力归一曲线 按照上述归一化的方法对四组竖向循环荷载试验进行处理，按桶顶中心竖 向位移达到桶径5 ( 8 r a m ) 为破坏标准，将静荷载比、动荷载比咀及破坏振次 整理于表2 。4 中。 扯 ： ： = ， r 一 一 簟 博一 一 第二章桶型基础模型试验 表2 - 4 四组桶型基础竖向循环荷载试验结果 极限承载力静荷载比动荷载比破坏振次 试验编号 匕! 丝匕! 匕墨! 匕丝 试验一8 00 4 50 4 5 61 1 4 5 试验二 试验三 试验四 7 0 1 2 5 9 0 o 7 1 4 0 6 7 2 o 5 7 4 0 4 0 0 3 1 6 0 4 3 3 1 3 5 31 0 l6 l 经上述处理后发现桶型基础竖向循环荷载作用下的变形有如下的特点： ( 1 ) 竖向循环荷载作用下基础的竖向循环累积变形随振次的增加而增大。 从上述的四个试验的变形曲线中可以看出，荷载水平( 这里要综合考虑静荷载 水平与动荷载水平) 较低时循环累积变形过程以减速进行；当荷载水平较高时， 循环累积变形过程以匀速甚至加速进行。第一种情况可以与衰减蠕变过程等效， 第二中情况可以与非衰减蠕变过程等效【22 1 。在这两种情况下，基础总的变形等 于受荷载后立即发生的瞬时变形砜与随时间发展的变形u ( f ) 之和，即 u = u o + u ( t ) ( 2 - 1 ) 试验一、二和三的循环累积变形过程均为衰减增长的过程，变形u ( f ) 以减 速发展；试验四的循环累积变形过程为非衰减增长的过程，除初始瞬时变形外， 还包括两个阶段：第1 阶段为衰减增长过程，在这个阶段里累积变形不断增加， 但应变速率越来越小；第1 i 阶段为稳定的增长阶段，即等速增长阶段，这时变 形速率大体恒定不变。 ( 2 ) 从四个试验的荷载水平对照来看，循环累积变形的增长过程与静荷载 水平、动荷载水平有着紧密的联系。试验二、试验三与试验四相比，前两者的 静荷载水平较后者高，但由于它们的动荷载水平较后者低，前两个试验的变形 增长过程为衰减增长过程，而后者为非衰减增长过程；试验一与试验四相比， 虽然其动荷载水平较后者高，但静荷载水平却比后者低，变形增长过程也为衰 减增长过程。 ( 3 ) 循环累积变形的增长过程同为非衰减增长过程，但由于荷载水平的差 异，其增长速率的大小也是有区别的。试验二的静、动荷载水平较试验三的静、 动荷载水平都要高，试验二的变形增长速率就比试验三的高：而试验一与试验 二、三相比静荷载水平低，静荷载水平与动荷载水平之和也低，其变形的增长 速率低。 第二章桶型基础模型试验 2 5 2 水平循环试验结果与分析 下面介绍三组单桶水平循环承载力试验，其试验过程如2 4 节所描述，具 体施加静、动荷载的大小如表2 5 所示，其中高度为水平加载点高度距桶顶中 心的高度。其桶顶中心处水平和竖向位移如图2 10 至图2 13 所示。 表2 5 三组桶型基础水平循环荷载试验相关数据 l _ 竖向静荷载初始竖向位 水平循环荷 试验编号 一一。高度m m y i 缦g 移 m m 载f 。k g ?、 试验五 4 7 1 4 21 2 02 5 0 试验六 6 21 4 1 1 1 2 4 5 试验七 4 7 2 31o 8 2 6 5 图2 - 1 0 试验五桶顶中心水平位移随循环振次的变化曲线 图2 - 1 1 试验五桶顶中心竖向位移随循环振次的变化曲线 第二章桶型基础模型试验 图2 12 试验六、七桶顶中心水平位移随循环振次的变化曲线 图2 1 3 试验六、七桶顶中心竖向位移随循环振次的变化曲线 图2 14 给出了三组水平静承载力试验得到的曲线。三组试验是不同时间， 在模型试验土池的不同位置进行的。但是，若以各组试验中桶型基础水平位移 达到破坏标准( 以桶径3 ，4 8 m m 为破坏标准) 时的荷载吼为归一化参数， 将三组试验结果重新进行整理并绘于图2 一l5 中，可以看出三组结果的趋势基本 上是一致的，模型试验中桶型基础的水平静承载力便由该归一化曲线为基准进 行判断。 第二章橘型基础模型试验 图2 1 4 水平静承载力试验曲线图2 - 1 5 水平静承载力归一曲线 按照上述归一化的方法对三组水平循环荷载试验进行处理，按桶顶中心水 平位移达到桶径3 ( 48 m m ) 或者竖向位移达到桶径5 ( 8 r a m ) 为破坏标准， 将静荷载比、动荷载比以及破坏振次整理于表2 5 中。 表2 - 5 三组桶型基础水平循环荷载试验结果 竖向极搬承载水平极限承载静荷载比动荷载比破坏振次 试验编号 塑丘! 生垄丛! 堑匕! 匕五! 生型 试验五7 8l306 0 3o9 25 0 试验六 试验七 经上述处理后发现桶型基础水平循环荷载作用下的变形有如下的特点： ( i ) 水平循环荷载作用下基础的水平及竖向循环累积变形都随振次的增加 而增大。从上述的三个试验的变形曲线中可咀看出三个试验的水平循环累 积变形过程为非衰减增长的过程包括三个阶段：第1 阶段为衰减增长过程， 在这个阶段里累积变形不断增加但应变速率越来越小；第1 i 阶段为稳定的增 长阶段，即等速增长阶段，这时变形速率大体恒定不变：第1 i i 阶段为加速增 长阶段。竖向循环累积变形的增长过程与竖向循环试验的竖向位移增长过程 相同上述三个试验中的竖向变形在水平变形达到破坏前并没有达到破坏标准。 ( 2 ) 同样与竖向循环试验的结果类似，这里的循环累积变形过程与应力水 平有关可以参照2 51 节来分析竖向循环试验的结果，这里就不再详细进行 分析。 第二章桶型基础模型试验 2 6 小结 本章介绍采用真空预压制备饱和软粘土土池，从实际操作以及及预压后土 的物理力学指标参数的测定结果来看，这种制备土池的方法能够取得较好的效 果。准备好模型桶、加载及测量装置以后，在制备好的土池中进行不同荷载组 合下的模型试验。模型试验过程中，需首先确定桶型基础的静极限承载力，然 后以此为参照，来做其循环承载力的试验。本节介绍了单桶的竖向及水平循环 承载力模型试验的方法过程以及结果，从循环承载力模型试验基础的变形结果 来看，循环累积变形的增长过程与静力条件下的蠕变过程极为相似，为后面的 变形计算等效提供依据；从各组试验之间相互比较来看，试验结果能够较好的 说明静荷载、动荷载、静极限荷载以及循环振次对桶型基础循环承载力的影响， 与预测的结果基本一致；同时，模型试验也为后面的有限元模拟计算提供了参 照。 第三章模型试验土的循环累积变形特性 第三章模型试验土的循环累积变形特性 软粘土在静力作用下，除了产生可以恢复的弹性变形外，还产生不可恢复 的塑性变形；在循环荷载的作用下，会产生不可恢复的累积变形，并且该变形 随循环振次( 时间) 的增长而增长。为了反映软粘土在动、静荷载作用下所表 现出来的变形特性，从而准确、简单地计算出海洋软基在循环荷载作用下产生 的变形，必须选择一恰当的模型来描述之。 在静力的作用下，由于土体本身结构的复杂性，土的本构关系比较复杂， 至今还没有一个适应性很广的模型。软粘土变形的主要特点为其变形的非线性， 一般用弹塑性模型来反映软粘土在静力作用下变形的非线性特点。饱和软粘土 在不固结不排水条件下的屈服或破坏与静水压力无关，可以用理想弹塑性模型 ( 屈服准则选用m i s e s 准则) 来描述 2 3 - 2 4 。只需通过静力试验，确定出其在不 固结不排水条件下的屈服强度，就可用理想弹塑性模型来描述饱和软粘土在静 力作用下的变形特点。循环累积变形随循环振次的增长与静力条件下的蠕变近 似，可以用相应的蠕变关系来描述，本章通过对模型试验中采用的软粘土进行 循环三轴试验，来建立上述关系。 3 1 试验土样与试验方法 a n d e r s e n 等曾研究了循环应力作用下粘土的固结不排水特性，并以一组相 当复杂的图表来表示其研究成果。这为进一步研究粘土动力特性提供了很好的 参考 2 5 - 2 6 】。另一方面，根据目前海洋工程设计中使用的a p i 规范，对于软粘土 地基，评价海洋重力式浅基础的短期静力稳定性时( 即安装后的稳定性) ，通常 使用不固结不排水强度【27 1 。基于上述分析，本文将通过循环三轴试验，对模型 试验土池中的软粘土不固结不排水动力特性进行系统研究，建立一种合适的解 析表达方式，将不固结不排水条件下的循环累积变形随循环振次、初始静应力 以及循环动应力的变化关系表示出来，为进一步评价桶式基础的稳定性提供便 于应用的结果。 研究土样为重塑软粘土。该土样的基本物性指标为：平均含水率为6 0 ， 平均天然容重为17 k n m 3 ，塑限为2 8 ，液限为5 0 6 。 试验研究仪器为h x 1o o 电气伺服控制静动力多功能三轴仪。该仪器由计 算机进行试验过程控制与试验数据采集，因此具有较高的试验测试精度。具体 第三章模型试验土的循环累积变形特性 试验方法如下： ( 1 ) 将试验土样安置在三轴压力室内，然后给土样施加周围压力仃，以模 拟实际土层受到的上覆有效压力。 ( 2 ) 为了进行循环三轴试验，首先对试验土样进行不固结不排水静三轴试 验，确定相应的静破坏应力强度仃，及剪切强度置，( 置，= 仃，2 ) 。 ( 3 ) 进行不固结不排水循环三轴试验时，首先沿土样轴向施加静应力仃， 以模拟循环荷载作用前地基土单元受到的初始静偏应力。为了按照统一标准衡 量施