（岩土工程专业论文）软土中的桶形基础水平循环承载力分析.pdf

中文摘要 桶形基础由于其具有结构形式简单，海上施工安装方便，可以移位重复使用 和造价低等特点，在某些领域正在逐步代替传统的桩基础，有广泛的应用前景。 而对软粘土中的桶形基础，目前尚未有很好的方法来评价其循环承载力。本文通 过弹塑性有限元法对已有的模型试验进行了模拟，研究了软粘土地基中桶形基础 在竖向静荷载和水平循环荷载作用下的水平循环承载力。 首先，通过循环三轴试验，研究不固结不排水条件下饱和软粘土的循环特性。 研究其在同一围压，同一循环振次下，循环强度随静应力的变化规律。建立了与 试验所用土相适应的循环累积应变关系式。 其次，把拟静力弹塑性有限元方法与循环强度模型相结合，对水平循环荷载 作用下桶形基础的水平循环承载力进行计算。研究了5 0 0 次和1 0 0 0 次循环破坏 次数时水平循环承载力随静荷载的变化关系曲线，以及在不同的静荷载和相应的 水平循环荷载作用下竖向是否破坏。然后针对已有模型试验进行模拟计算，通过 计算与试验结果对比，验证了这种方法的可行性。 最后，运用蠕变理论，将循环累积变形与蠕变相等效来计算模型试验中桶形 基础在水平循环荷载作用下产生的循环累积变形，从计算的结果中，提取同一静 荷载同一振次下不同水平循环荷载产生的变形，按照一定的破坏标准来评价桶形 基础的水平循环承载力。将计算的结果与模型试验的结果进行比较。 关键词：桶形基础循环三轴试验有限元计算蠕变 a b s t r a c t t h eb u c k e tf o u n d a t i o ni s g r a d u a l l yr e p l a c i n gt h et r a d i t i o n a lp i l ef o u n d a t i o ni n s o m ea r e a s ，b e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o ni nt h es e a ，t h e r e p e a t e du s ea n dl o wc o s t i th a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s b u tt h e r ei ss t i l ln o ta g o o dm e t h o dt oe v a l u a t et h ec y c l i cb e a r i n gc a p a c i t yo ft h eb u c k e tf o u n d a t i o ni ns o f t c l a y s t e s tr e s u l t sw e r es i m u l a t e du s i n gp s e u d os t a t i ce l a s t o p l a s t i cf e ma n dt h e h o r i z o n t a lc y c l i cb e a t i n gc a p a c i t yo ft h eb u c k e tf o u n d a t i o ni ns o f tc l a y su n d e rt h e v e r t i c a ll o a d sa n dh o r i z o m a lc y c l i cl o a d sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h ec y c l i cp r o p e r t i e so fs o f tc l a y sw e r es t u d i e du n d e rt h eu uc o n d i t i o n u 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 sw e r ec o n d u c t e du n d e rt h es a m e c o n f i n i n gp r e s s u r e t h ev a r i a t i o nw a sd e t e r m i n e db e t w e e nt h ec y c l i cs t r e n g t ha n dt h e s t a t i cs t r e s su n d e rt h es a m en u m b e ro f c y c l e s a n dt h ep r o p e rr e l a t i o n s h i pt od e s c r i b e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec y c l i ca c c u m u l a t i v es t r a i n sw a se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , c o m b i n i n gt h ep s e u d os t a t i ce l a s t o p l a s t i cf e ma n dt h em o d e lo f c y c l i cs t r e n g t h ，t h eh o r i z o n t a lc y c l i cb e a r i n gc a p a c i t yo ft h eb u c k e tf o u n d a t i o nu n d e r t h eh o r i z o n t a lc y c l i cl o a d sw e r ec a l c u l a t e d a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e h o r i z o n t a lc y c l i cb e a r i n gc a p a c i t ya n dt h es t a t i cl o a d sw a ss t u d i e dw h e nt h ec y c l i c f a i l u r et i m e sa r e5 0 0a n d10 0 0 a n dt h ev e r t i c a ld a m a g eo ft h eb u c k e tf o u n d a t i o nw a s g i v e ni nd i f f e r e n ts t a t i cl o a da n dt h ec o r r e s p o n d i n gl e v e lo fh o r i z o n t a lc y c l i cl o a d t h e nt h et e s tr e s u l t sw e r es i m u l a t e d t h ec o m p a r eo ft h et e s t sa n dc a l c u l a t i o n sb y f e mv e r i f i e dt h a tt h em e t h o dw a sf e a s i b l e f i n a l l y , b yt h et h e o r yo fc r e e p ，t h ea c c u m u l a t i v ed e f o r m a t i o n so fb u c k e t f o u n d a t i o n su n d e rh o r i z o n t a lc y c l i cl o a d sw e r ec a l c u l a t e du s i n gt h em e t h o di nw h i c h t h ec 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 nw a se q u a l e dt ot h ec r e e p d e f o r m a t i o n sp r o d u c e d b yd i f f e r e n th o r i z o n t a lc y c l i cl o a d su n d e rt h es a m es t a t i cl o a d sa n da tt h es a m e n u m b e r so fc y c l e sw e r ep i c k e du pf r o mt h er e s u l t so fc a l c u l a t i o n s t h e nt h eh o r i z o n t a l c y c l i cb e a r i n gc a p a c i t yw a se v a l u a t e da c c o r d i n gt oac r r t a i nf a i l u r ec r i t e r i o n t h e nt h e r e s u l t so fc a l c u l a t i o n sw e r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo ft h ec o r r e s p o n d i n gm o d e lt e s t s k e yw o r d s ：b u c k e tf o u n d a t i o n ，c y c l i ct r i a x i a lt e s t s ，f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n ， c r e e p 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，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤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：i 寸垮 签字日期： 啊年易月l 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞本堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗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) 学位论文作者签名： 冲巷 签字日期：- 嘲年多月j 口日 导师虢1 乏彳 签字日期：j 吁、年6 月6 日 第章绪论 第一章绪论 1 1 桶形基础的由来和结构特点 1 9 9 4 年7 月在挪威北海水深为7 0 m 的区域，欧洲管阿( e u r o p i p e ) 1 6 1 1 - e 大型导管架平台建成并投入使用，标志着一种导管架工程新技术一桶形基础的 产生。该新型基础主要是由挪威土工研究所 n o n v e 西a ng e o t e c h n i e a li n s t i t u t e ( n g l l l 研究成功的。该导管架平台见图1 - 1 。 由于欧洲管阿1 6 1 1 1 e 大型导管架平台的基础外形像一只倒扣在土中的桶 因此称之为桶形基础。其实这是一种带裙的圆板基础，故可称之为带裙的片筏基 础或裙桩基础近来也有人称之为板群基础【l j 。 桶形基础具有片筏基础和桩基础的共同特点。自7 0 年代早期咀来，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，先后在致密的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 班e ) 应用负压 j 薰 熬 ，鐾， 图卜1e u r o p i p el 纠1 1 一e 形导管架平台 j 上，一h ，1 盯、 ， 】 j ! 丌t n _ r t 丁1 硎 图t - 2g u l l f a k sc 重力式结构 ， 第一章绪论 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 的挪威国家石油公司( s t a t o i l ) 的格尔范克斯c ( g u l l f a k sc ) 重力式平台。见图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 l t a ) 和首席结构工程师拔尔海姆( m o r t e nb a r h e i m ) 提出了发展钢导 管架桶形基础的新构想。1 9 9 2 年4 月在斯诺拉( s n o r r e ) 油田水深3 1 0 m 的深水区 建造了张力腿平台 t h et e n s i o nl e gp l a t f o r m ( t l p ) 混凝土基础，同时在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 as 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 ) 1 【l 】。 随着这一系列基础结构应用负压的成功安装，人们对未来桶形基础的施工方 法有了更好的理解和认识。终于在1 9 9 4 年7 月将桶形基础首次应用于欧洲管网 1 6 11 - e 平台建设中，接着又于1 9 9 6 年春天在斯莱纳佛斯特s l t ( s l e i p n e rv e s ts l t ) 天然气处理平台导管架的施工中再次应用桶形基础作为其基础结构【l 】。 我国对桶形基础平台研究工作是十分重视的。当这种新型平台一出现就开始 了这方面的研究工作，并于1 9 9 8 年列入国家高新技术8 6 3 研究项目。胜利石油管 理局、国家海洋局第一研究所、天津大学和上海交通大学共同承担了可移动桶形 基础平台研究项目，于1 9 9 9 年1 0 月2 5 日成功地在胜利石油管理局浅海海域建成了 c b 2 0 b 桶形基础采油平台，当年即投产，自建成以来一直运行良好，大大缩短了 海上施工时间，降低了造价，并于2 0 0 0 年9 月3 0 日通过了国家科委8 2 0 主题办公室 组织的专家验收1 2 - 3 。海上桶形基础平台属于海洋高新技术，涉及专业面广，涉 及土力学、水力学、渗流理论、板壳力学、土与结构相互作用、自动监控技术、 有限元计算技术、优化理论、可靠性理论等。 利用渗流理论和桶基负压沉贯原理，将传统导管架平台的桩基础改变成一个 短粗的桶形基础，将它做成短粗的刚性开口薄壁圆筒壳，利用桶基自重和上部结 构的重量，将桶基压入海底一定深度，形成密封条件，然后用泵抽吸，在桶体内 形成负压，依靠桶顶内外表面压差，将桶体压入海底预定深度。形成密封是重要 的负压下沉必要条件，如果形不成密封条件，就不可能进行抽吸和负压下沉。能 否下沉到海底预定深度，关键是要克服桶体下沉阻力，包括桶基内壁和外部摩擦 阻力以及端部阻力三部分，只要在负压下沉过程中能克服下沉阻力，桶基就可顺 利下沉到海底预定深度1 3 】。 在我国沿海地区分布着大量的软粘土，这些软粘土具有高含水量，低渗透性， 高压缩性、抗剪强度低等特性，并且分布层很厚，在这些地区修建工程建筑物， 大多要对这些土层进行处理或采用桩基础，这时的桩基础必须穿透整个土层，从 而工程量很大，投资巨大，施工时间长。桶形基础所具有的诸多优点为在这些地 区施工减少工程量，节约投资，缩短施工时间提供了一条新路。因此，桶形基础 在粘性土地区特别是滩海淤泥和淤泥质粘土地区的工程应用有着广阔的前景m 】。 第一章绪论 与传统的桩基础相比，桶形基础具有以下几个优点： ( 1 ) 节省施工安装的时间和费用。由于桶形基础属于薄壳结构，从而就大大 节省了钢材的用量。同时，施工过程中采用负压下沉，而不需要打桩，可以加快 施工速度，节省施工时间。 ( 2 ) 便于运输和安装。特别是在浅海地区，由于浅海区的水深不足，大型施 工机具无法通过运输船运到施工地点，而桶形基础可以在别处安装，对桶形基础 充气，利用其浮力，由驳船将其拖至施工地点，用浮吊施工完成。 ( 3 ) 能够重复使用。桶形基础作为一种移动式平台基础，在一处油井开采完 成后，可以对其施加正压，将桶形基础从土中顶起，由驳船拖到下一个开采区， 下沉后继续使用。桶形基础的起桶和沉桶过程都比较简单，重复使用不但节省了 资源，而且缩短了工期，节省了大量的人力物力。 ( 4 ) 对土体勘察比较容易。由于桶形基础的插入深度较浅，因此在设计施工 之前，只需对浅部土体进行勘察研究。 ( 5 ) 更适用于海洋环境。桶形基础施工时间短，基础稳定性实现较快，便于 在海洋上恶劣气候的间隙进行施- v t 4 。5 】。 1 2 循环承载力的确定方法 由于桶形基础是一种特殊结构，类似薄壁大圆筒结构，对于它在软土中的承 载力既不能按桩计算，也不能按重力式基础进行计算。目前，关于它的承载力计 算方法目前尚无规范可依1 6 。对其动力稳定性方面尚无系统和成熟的研究结果， 而多是参考a p i 规范，或是刚性短桩的设计方法，以及一些工程经验。 对桶形基础的研究日益受到各国研究人员的重视，并为之进行了一系列的室 内和现场试验，对桶形基础的下沉阻力、承载力与变形特性、动荷载作用下基础 响应等都进行了较为深入的研究，提出了一些设计计算方法。但是由于桶形基础 的构造和安装方式的特殊性以及土的本构关系、实效机理的复杂性，使得桶形基 础与土之间的静、动相互作用都比较复杂。 桶形基础作为海洋平台的基础，不但要承受上部结构的巨大工作荷载，还要 承受平台上部结构的风、波、潮、流、冰等复杂的环境荷载。也就是说，桶形基 础一方面要承受巨大的垂直力作用，另一方面还要承受巨大的水平力作用。在长 时间的风暴作用下，地基土的强度会弱化，进而使桶形基础承载力降低，同时， 随着地基累积变形的不断增加，就容易使基础发生失稳破坏。因此，准确确定地 基承载力是海洋平台顺利施工和安全生产的前提。对于桶形基础平台，水平循环 承载力问题尤为重要。 目前，对于循环承载力的确定方法，国内外主要有下面几种。 3 第一章绪论 1 二维极限平衡法。挪威土工研究所的a n d e r s e n e 7 】等针对d r a m m e n 粘土， 进行了大量的循环三轴和循环单剪试验，得到了大量粘土应力状态的数据，用来 模拟破坏面上的几种典型应力状况，进而确定出不同静、动应力条件下地基土的 循环强度，对重力式基础受到风浪等循环荷载作用时，地基土体的受力状况和基 础稳定性进行了研究。但这种方法将三维问题简化为平面问题，存在定的局限 性，且需要对同一种土进行大量的循环单剪、循环三轴压缩和循环三轴拉伸试验， 工程中难于实现。 2 建立描述软土循环特性的弹塑性本构关系，进而借助弹塑性有限元方法分 析地基的循环承载力。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，且经常由于计算误差的累积导致计算结果不收敛 8 】 o 3 拟静力弹塑性有限元法。这种方法则可以模拟地基土与桶形基础的相互 作用。通过定义土单元的循环强度，将荷载对土体的循环作用等效为土体强度的 改变，计算时依据土动力试验建立的循环强度随循环平均应力的变化关系，由地 基不同土单元的循环平均应力确定相应的循环强度，然后按地基不同土单元具有 的不同循环强度，通过有限元计算评价静荷载与循环荷载共同作用下地基的循环 承载特性。这种方法的特点是可以考虑循环荷载与工作静荷载共同作用下地基不 同土单元循环平均应力的差异对其循环强度、进而对地基循环承载力的影响。 目前，关于桶形基础的水平循环承载力已有一些研究结果，对于软土地基中 桶形基础在受到竖向静荷载和水平循环荷载作用下的水平方向的变形已做了研 究，但是已有的模型试验结果显示，在水平循环荷载作用下，除了有水平方向的 变形外，基础可能会出现较大的竖向位移，从而使基础破坏。 为了对桶形基础在水平循环荷载作用下竖向沉降问题有一个进一步的认识， 本文将采用拟静力弹塑性有限元方法计算软粘土地基中单桶基础水平循环承载 力的基本变化规律，评价其竖向破坏与否。 1 3 软土地基桶形基础的变形研究 在实际工程中，桶形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形基础的承载力， 因此对桶形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 4 第一章绪论 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。桶形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 【9 1 。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：萨。+ 印，其中，矿为弹性应 变，甲为粘塑性应变。对于弹性应变，可以采用线弹性来进行计算。粘塑性体 应变甲分为塑性应变矿和粘性应变两部分，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f | o j 。对 土动力特性的研究表明，在不同的静应力和动应力作用下，土的循环累积应变都 随着循环次数的增加而增加，这一点与一些材料在静力作用下的蠕变过程相似。 蠕变表现为材料的变形随时间的变化特性。为此，将土的循环累积变形过程与静 力作用下的蠕变过程等效，把循环次数看作为蠕变时间，从而采用拟静力的方法， 建立弹塑性的循环蠕变模型，使循环累积变形计算得到简化。在循环荷载作用下， 土单元的循环累积应变随着循环次数的增加而增加，循环次数可以看作时间过 程，将土单元的每一次循环累积应变的增加量等效为蠕变增量。通过试验建立循 环累积变形与循环次数、静应力、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。 1 3 1 蠕变的一般理论 粘弹性或粘塑性固体材料在恒应力作用下，其应变随时间逐渐增加，称为蠕 变；在恒应变作用下，其应力随时间缓慢降低，称为松弛。这两种情况，统称流 变。蠕变是固体材料的一类较普遍的行为，这是一种长期缓慢发生的永久变形。 应该指出的是时间长短及过程的快慢均是相对的，所以应该比较同一种材料在两 种不同时间尺度里的行为【1 2 1 。 在发生蠕变时，应力和应变满足如下的假定【1 3 。 ( 1 ) 蠕变为不可压缩的。 ( 2 ) 应变速度与静水压应力分量无关。 ( 3 ) 材料是各向同性的，应变速度和应力的主轴一致。 为了满足以上假设，考虑应力巧，和应变速度皇i 之间有如下的关系。 5 第一章绪论 岛= c ( 1 - 1 ) 式中：吒为应力偏量；c 是比例系数。此外，式( 1 - 1 ) 和塑性力学中l e v y m i s e s 的流动法则同型。 如果只考虑稳定蠕变，则确定应变速度的大小的蠕变条件，可以用与塑性力 学中的屈服条件相同的方法来规定。作为蠕变条件来说，如果考虑应力偏量的二 次不变量z ，则式( 1 1 ) 的c 表示如下 c = 厂( z ) ( 1 2 ) 这相当于m i s e s 的屈服条件，是由o d q v i s t 提出的。这就是相当于服从m i s e s 条件的塑性理论的蠕变变形理论【1 3 】。 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。 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，前者 是包含了时间的效应并导致一个在有限速率下的蠕动变形；后者是描述在瞬间产 生明显的永久( 塑性) 变形，并且没有把时间的影响考虑在内。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。 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 ( 旺，) 关于 仉，的偏导数求得【1 4 。5 i ，用类似的方法可以求得蠕变应变增量。 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，下面就来介绍这种 等效计算方法的依据及研究现状。 1 3 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 3 ) ，土体某一点处的位移随循环振次的位移如 图1 4 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 4 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 6 第一章绪论 是相似的。通过试验可以得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) 的关系，便可用计算蠕变的方法来计算循环累积变形。 4 0 2 0 o “- - , o r 0 萜2 0 - 4 0 循环振次，n 图1 3 循环荷载 循环搬次，n 图1 4 土体中某点循环变形、累积变形随循环振次的变化 目前，描述岩土体蠕变特性大致采用两种途径：一是采用模型理论，不少学 者从基本力学概念与理论出发，运用数学力学分析方法，建立由弹簧、粘壶、滑 块等元件组合而成的流变计算模型，如由圣维南刚塑体和牛顿粘壶并联组成 b i n g h a m 模型，虎克弹簧和牛顿粘壶并联组成k e l v i n 模型，由虎克弹簧和开尔 文体串联而m e r c h a n t 模型。除了以上几种较简单的流变模型之外，还可以将单 个元件再与两个元件并联或串联，从而构成多种结构的复合流变模型。如为并联， 则按应力叠加；若为串联，则按应变叠加。模型的概念直观、物理意义相对明确， 但多元件的组合，本构方程相对复杂，参数增多，给应用带来不便。实际模型理 论往往只能描述岩土体线性蠕变规律，对于具有非线性蠕变特征的软土，模型理 论的方法就显得适应性较差。二是采用经验理论，即根据土体的试验结果而抽象 的力、应变、时间关系，对于不同的土、不同的试验条件，可有各不相同的经验 7 第一章绪论 公式 1 6 1 。 最常用的模型是m o n i s m i t h 提出的指数模型【l7 1 ，得出软粘土的塑性应变与循 环次数的关系，但由于没有考虑初始静应力和循环动应力的影响，参数取值的离 散性大，计算结果往往与实测的误差较大。l i 和s e l i 9 0 8 j 考虑土体的类型和物理状 态的影响，引进土体的静强度参数，通过室内试验的结果对指数模型进行改进。 c h a i 和m i u r a 【1 9 】又在“和s e l i g 的模型基础上，考虑到土体的初始静偏应力，提出 了一种新的指数经验公式模型，用来预测软粘土上低路堤在交通荷载作用下的沉 降。另外，许多研究者通过室内三轴试验的结果分析软粘土的残余变形特性。 s a k a i 和m i u r a 2 0 】在a r i a k e 未扰动软粘土的三轴循环试验结果的基础上，提出了一 个模拟不同围压下软粘土部分排水特性的模型。h y o d o 和y a s u h a r a 2 1 通过对高塑 性海积粘土的不排水三轴试验结果的整理，引入相对循环强度和有效应力空间位 置的两个应力参数，采用经验模型模拟软粘土循环加载产生的孔隙水压力和消散 过程。蒋军【2 2 j 通过饱和软粘土的一维循环压缩试验，建立了排水条件下粘性土一 维循环残余变形的计算模式。 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 环次数的拟合曲线。已有的研究结果表明【l9 1 ，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 7 】提出的指数模型，如下式： = a n 6 ( 1 3 ) 式中：，一循环累积变形，n 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a 和指数b 中，物理 意义模糊。 c h a i 和m i u r a 在式( 1 3 ) 的指数公式基础上进行了发展，提出了修正公式，如 下式： 艮谢q s ”矿 m 4 ) 式中：q d 为动应力，q ，为初始静偏应力，q 为静破坏偏应力。 式( 1 4 ) 考虑了初始静偏应力的影响，对于动静偏应力的耦合效应也未能进行 考虑。 8 第一章绪论 p a r r ，h y d e 等 2 3 - 2 4 1 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 5 ) 。 翻e 毒d o i o 冀 图1 - 6 应变速率和加载次数的关系 f 。 、 l o g i 拿l ：l o g c + f l o g n ( 1 - 5 ) lq 式中：氐是次循环累积变形的应变率，是第一次循环加载的累积变形的应 变率，n 为循环加载次数，c 和是试验常数，当n = 1 时，可以得出c = 1 。 将刍用b 代换，对上式进行修正： ， 。 、 l o g l 阜l ：b t o g n ( 1 - 6 ) l 晶 式中：提出了第一次循环累积应变，将循环加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。对循环三轴试验的塑性应变进行归一 化处理，得到塑性应变率一循环次数的线性关系公式。得到试验常数斜率b 为0 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 为0 6 4 4 左右【2 5 】。 刘振纹2 6 1 用下式描述了软粘土不固结不排水条件下，循环累积应变的变化 规律： 0 2 f ( c r j ) a ( c r d ，q ) b ( q ，乃，) ( 1 - 7 ) 式中：f ，a ，b 为待定的试验函数，对于无应力反向和有应力反向的情况，它们 有不同的函数表达式，反映静应力、循环应力、循环次数等对循环累积应 变的作用和影响。为循环次数。 9 第一章绪论 1 4 论文工作的主要内容 桶形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。 已有的模型试验结果表明：桶形基础在受到水平循环荷载作用时，不仅会产 生水平方向的变形，而且有可能会有较大的竖向变形。因此针对这个问题有必要 作进一步的研究。 本文主要研究内容分为以下三个方面： ( 1 ) 进行u u 循环三轴试验，得出循环累积应变随振次的变化曲线，进而做 出不同静应力比下的循环强度曲线以及不同循环破坏次数下循环强度随静应力 比的变化关系曲线，并且采用指数函数来拟和循环累积应变随循环次数的变化关 系。 ( 2 ) 依据上述拟静力弹塑性有限元法估算地基水平循环承载力，计算水平循 环荷载的作用下地基弱化后基础的竖向循环承载力，再计算此基础在只受竖向静 荷载和竖向循环荷载时的竖向循环承载力，比较两个竖向循环承载力来判断在此 水平循环荷载作用下竖向是否破坏。把计算结果与已有的模型试验结果进行比 较，验证这个方法的可行性。 由于静荷载与循环荷载共同作用时，地基中一点的应力状态与循环三轴试验 中土样的应力状态相比有一定的差异，因此，必须建立两者之间的等效关系，才 能够利用己建立的循环强度模型分析地基的循环极限承载力。文酬1 0 】通过循环三 轴试验与循环扭剪试验结果的对比分析，证明了不固结不排水条件下，与任意循 环破坏次数对应的循环强度满足m i s e s 条件。即对于两个不同的应力状态，从强 度破坏意义上讲，只要其八面体剪应力达到循环强度，那么土单元变形也就达到 了循环破坏标准，所以如何确定其循环平均八面体剪应力显得尤为重要。 ( 3 ) 还从变形方面对其水平循环承载力进行分析，把水平循环荷载作用下软 土的循环累积变形过程等效为静力蠕变过程，采用循环三轴试验得出的循环累积 变形关系，计算在不同动静荷载组合下基础的水平变形。把计算结果与已有的模 型试验结果进行比较，看是否与试验结果相一致。 1 0 第二章软粘土的不排水循环特性 第二章软粘土的不排水循环特性 本文将从循环强度和循环累积变形两个方面研究软土地基桶形基础的循环 承载力及稳定问题，这就需要对软粘土的循环强度、循环累积变形随静应力、循 环应力以及循环次数的变化规律进行研究，并以此结果来进一步对桶形基础循环 承载力进行评价。 考虑到桶形基础多应用在近海软土地区，埋深较浅( 2 m 1 0 m ) ，并且基础影响 范围内的地基土渗透性差，通常处于欠固结或正常固结状态；又根据a p i 技术规 范的建议，应考察软粘土的不固结不排水强度。因此本文针对于软粘土不固结不 排水条件下的循环强度、循环累积变形随静应力、循环应力以及循环次数的变化 规律进行了研究。 根据研究结果可知【10 1 ，不排水条件下饱和软粘土的循环破坏要遵循m i s e s 屈 服准则，同时通过循环三轴试验所建立的循环强度、循环累积变形随静应力、循 环应力以及循环次数的变化规律可以推广到一般应力状态下，这为本文后续进行 的有限元计算分析提供了理论基础和依据。 依据循环三轴试验的结果，对于本模型试验中软粘土的循环强度以及循环累 积变形随静应力、循环应力以及循环次数的变化进行了试验研究，并建立了_ 种 合适的函数表达式，为下一步计算分析桶形基础在循环荷载作用下的承载力提供 了便于应用的研究成果。 2 1 试验土样与试验方法 全部试验土样均为软粘土，该土样的基本物性指标见附录。采用旋转切削方 法由模型试验土样制备静三轴、循环三轴试验土样。土样尺寸为直径3 9 1 c m ， 高8 0 c m 。 在应力控制条件下进行不固结不排水静三轴试验( u u 静三轴试验) 。试验 步骤如下： ( 1 ) 将试验土样安置在三轴压力室内，然后给土样施加围压毋，以模拟实际 土层受到的上覆压力，同时测量试验土样的孔隙水压力系数b 。试验结果表明， 全部土样的b 0 9 5 ，本次试验取得的土样确实为饱和软粘土。 ( 2 ) 在应力控制条件下，采用分级加荷方式测定土样轴向应力应变曲线。在 一级应力作用下，将相对稳定后的轴向变形作为本级应力作用下的变形。 第二章软粘土的不排水循环特性 ( 3 ) 当土样轴向应变超过1 5 时，停止加载。 ( 4 ) 按照试验得到的土样轴向静应力应变曲线，依据轴向应变达到1 5 的标 准确定试验土样的不固结不排水静压缩强度( u u 强度) 仃，。 采用h x 1 0 0 电气伺服控制振动三轴仪，在应力控制条件下进行循环三轴试 验。试验步骤如下： ( 1 ) 将试验土样安置在三轴压力室内，给土样施加围压氓，以模拟实际土层 受到的上覆压力，并测量孔压系数b ，使得b 0 9 5 。 ( 2 ) 沿土样轴向施加静应力盯，以模拟实际工程中循环荷载作用前土体受到 的静应力。为了按照统一标准衡量施加的静应力大小，参考u u 静三轴试验确定 的规一化静应力应变曲线( 即规一化静应力d r ，t r ，与土样轴向静应变，之间关系 曲线) ，用施加给土样的轴向静应力仃，与静压缩强度盯，之比仃，t r ，( 以下称静应 力比) 表示给试验土样施加的静应力大小，这相当于用盯，作为规一化参数，减 少由于试验土样的不均匀性对u u 循环三轴试验结果的影响。 ( 3 ) 当试样在静应力仃，作用下的轴向静应变稳定后，再沿土样轴向施加 0 1 勉正弦形式的等幅循环应力( 以下称循环应力) 。当土样轴向静应变与循 环累积应变之和大于1 0 时停止试验。同理，用循环应力比t r d t r ，表示施加给土 样的循环应力大小。 试验中的最大循环次数控制在2 0 0 0 次以内，试验循环应力频率取0 1 h z ， 围压以为2 0 k p a 。在同一围压下，为了考察不同静应力对土样循环累积变形和循 环强度的影响，选取4 个静应力比进行试验，分别是仃，- t r ，= 0 1 5 ，0 3 ，0 5 ，0 7 5 。 在同一个静应力比下，再选取多个不同的循环应力进行试验，以考察相同静应力 下、循环应力对土样循环累积变形与破坏的影响。 参考已有研究成烈2 7 捌j ，参照图2 1 ，按照静应变e ，与循环累积应变。之和 达到1 0 的标准确定循环三轴试验土样的循环破坏次数，o 图2 1 静应力与循环应力共同作用下的土样轴向应力应变关系 1 2 第二章软粘土的不排水循环特性 2 2 软粘土的静强度及其规一化特性 由于土样的性质具有一定的不均匀性，试验分别对中间中部，中间南部，中 间北部的土样进行了u u 静三轴试验。图2 2 是u u 静三轴试验应力应变关系曲 线。由于土样的不均匀性，土样u u 静压缩强度盯，的变化范围比较大，土样u u 静压缩强度1 3 ，的变化范围在2 3 k p a 3 3 k p a 之间，以静压缩强度仃，为规一化参数， 对其进行规一化处理。图2 3 中的实线是依据规一化后试验结果做出的静应力应 变曲线。 这样，在进行循环三轴试验时，依据规一化应力应变曲线，可以通过静应力 与静应变的对应关系预测土的静压缩强度盯，从而精确的施加一定应力比的静 应力仃，和循环应力。 图2 - 2u u 静三轴试验应力应变关系 图2 - 3 规一化静应力应变曲线 第二章软粘土的不排水循环特性 2 3 循环应力比随循环破坏次数的变化关系 依据试验结果，图2 4 给出了围压为2 0 k p a ，循环累积应变。随静应力比、 循环应力比以及循环振次的变化关系。 图中的结果表明，在不同的静应力和循环应力下，土样的循环累积应变随 振次的变化有不同的规律：土样在静应力比为o 1 5 时，循环累积应变e 。随振次 的增加发展速率逐渐变大，迅速达到破坏：土样在静应力比大于0 1 5 时，循环 累积应变。随阵次的增加发展速率逐渐变小，慢慢达到破坏；在同一静应力比 下，土样在较小动应力比下，循环累积应变。随振次的增加趋于稳定；土样在 较大动应力下，循环累积应变。以一定的速度发展，直到达破坏应变标准。 莲 p ( a ) 仃，仃，= 0 1 5 jj 吣、) a j 旧r = 0 3 1 4 第二章软粘土的不排水循环特性 1 5 茹 ：； 1 0 8 9 j 4 5 ，3 i o ( c ) q a i = 0 5 ( d ) 乃c r y = 0 7 5 图2 4 0 关系 通常，将循环荷载作用下土的动强度理解为在给定循环次数下，达到一定破 坏标准时的循环应力大小。按照以上设定的破坏标准，确定与不同循环破坏振次 对应的循环应力，进而做出相应的循环强度曲线。 把相同静应力比下的循环应力比随循环破坏次数的变化关系汇在同一个 瓦一l g ，图中，见图2 5 。 进一步分析表明，可以用式( 2 1 ) 对图2 5 中的循环应力比随循环破坏次数关 系曲线进行拟合。 1 5 第二章软粘土的不排水循环特性 吞d = n n ； 式中：元一动应力比，乃2 乃7 町；m 一循环破坏次数；a ， 的参数，见图2 - 6 和图2 7 ，按式( 2 2 ) 与式( 2 3 ) 确定。 ( 2 1 ) b 一随静应力比变化 a = - 2 0 6 6 0 4 ( 万j ) 4 + 4 2 7 3 5 7 ( 厅j ) 3 - 3 0 0 6 3 4 ( 厅j ) 2 + 7 9 6 6 3 1 ( 厅j ) + 0 0 2 1 8 6 0 9 6 = 一1 7 5 8 3 8 ( 方j ) 3 + 2 1 0 7 2 5 ( 厅j ) 2 - 0 6 9 2 0 6 1 ( 厅j ) - 0 0 3 3 3 9 4 6 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( a ) 巳吩2 0 1 5 蹴o i | g f l 0 3 1 6 第二章软粘土的不排水循环特性 嫡o j | o f l 0 5 蝤o i | of - 0 7 5 图2 - 5 不同静应力比下的动强度曲线 1 7 第二章软粘土的不排水循环特性 图2 - 6 订一哆町关系 图2 7 6 一q c r j 关n 2 4 循环累积应变变化关系 根据已有研究结梨1 7 】，本文也基于指数模型对循环三轴试验结果进行拟合， 建立描述循环累积应变与静应力、循环应力以及循环次数之间的关系式，采用式 ( 2 - 4 ) 形式表达循环累积应变的变化，式中a 、m 、