（岩土工程专业论文）软粘土中桶形基础竖向循环承载力分析.pdf

中文摘要 桶形基础作为移动式海洋平台的一种基础形式，因其所具有的独特优点而受 到日益广泛的关注。对桶形基础的稳定性，尤其是其在风浪等循环荷载作用下的 承载特性，在桶形基础的设计中尤为重要。本文针对软粘土，进行了桶型基础的 承载力模型试验，并通过弹塑性有限元法进行了计算，验证了用拟静力法评价软 土中桶形基础竖向循环承载力的可行性。本文的主要工作如下： 首先，通过模型试验和地基承载力公式计算结果比较，研究了软土地基土强 度参数和地基承载力之间的关系。依据载荷板静承载力模型试验结果，利用理想 弹塑性模型、通过有限元计算反推地基土的强度和弹性模量，并与实测土性参数 进行比较，建议了用有限元法计算软土地基承载力时选取土性参数的方法。 分析了在静荷载和循环荷载共同作用下，桶形基础地基应力变化特点，并结 合室内循环三轴试验得到的描述软粘土动力特性的循环强度变化模型，给出了用 拟静力弹塑性有限元方法评价桶形基础竖向循环承载力的步骤。 在试验模型土池内分别进行了载荷板和单桶基础的竖向循环承载力模型试 验，并针对试验工况按上面所述的方法进行了相应的有限元计算，阐明利用拟静 力法确定竖向循环承载力的可行性。通过计算分析，给出了单桶基础在不同静荷 载作用时，与5 0 0 次和1 0 0 0 次循环破坏次数对应的竖向循环承载力随静荷载的 变化关系曲线。据此，可以在桶形基础受到的静荷载不变情况下，确定其所能承 受的竖向循环荷载；也可以针对某一给定的循环荷载值，确定基础所能承受的最 大静荷载。 最后，对软土中的四桶组合基础的竖向承载力进行了分析，通过改变桶间距， 考察四桶组合基础的竖向静承载力和循环承载力随桶间距的变化规律，以及四桶 组合基础的承载力与单桶基础承载力的关系。通过对一倍桶间距四桶基础竖向循 环承载力模型试验结果的有限元计算模拟，进一步说明利用拟静力弹塑性有限元 法评价四桶组合基础竖向循环承载力的可行性。 关键词：桶形基础软土地基竖向循环承载力有限元海洋平台 a b s t r a c t b u c k e tf o u n d a t i o ni sar e m o v a b l eo f f s h o r ep l a t f o r mf o u n d a t i o n i th a sb e e n c o n c e m e db yo c e a ne n g i n e e r i n gr e s e a r c h e r sm o r ea n dm o r ef o ri t su n i q u ea d v a n t a g e s t h es t a b i l i t yo fb u c k e tf o u n d a t i o n ，e s p e c i a l l yt h eb e a r i n gc a p a c i t yu n d e r c y c l i cl o a d s i ns t o r m ，i sv e r yi m p o r t a n ti nd e s i g n t h em o d e lt e s t sw e r ec o n d u c t e dt os t u d yt h e b e a t 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 ns o f tc l a y su n d e rc y c l i cl o a d s t e s tr e s u l t s w e r es i m u l a t e du s i n gp s e u d os t a t i c e l a s t o p l a s t i cf i u i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t o v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o dt oe v a l u a t ev e r t i c a lc y c l i cb e a r i n gc a p a c i t yo f b u c k e tf o u n d a t i o ni ns o rc l a y s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es o i ls t r e n g t ha n dt h eb e a t i n gc a p a c i t yo fs o f tc l a y f o u n d a t i o nw a ss t u d i e db yc o m p a r i n gm o d e lt e s ta n dc a l c u l a t i o nr e s u l t su s i n gb e a r i n g c a p a c i t yf o r m u l a s b a s e do np l a t em o d e lt e s tr e s u l t s ，s o i ls w e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u s w e r eb a c k a n a l y z e db yf e mu s i n gp e r f e c te l a s t o - p l a s t i cm o d e la n dc o m p a r e dw i t ht h e t e s ts o i lp a r a m e t e r s t h em e t h o dt oc h o o s et h ep a r a m e t e r si nc a l c u l a t i n gs o f tc l a y s b e a t i n gc a p a c i t yb yf e mw a ss u g g e s t e d t h es t r e s sv a r i a t i o no ft h eb u c k e tf o u n d a t i o nw a s a n a l y z e du n d e r s t a t i ca n dc y c l i c l o a d s t h es 仃e n g t hm o d e lt od e s c r i b ec y c l i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o f tc l a yw a sg i v e n b a s e do nl a b o r a t o r yc y c l i ct r i a x i a lt e s tr e s u l t s t h em e t h o da n ds t e p sw e r ep r e s e n t e d t oe v a l u a t et h ev e r t i c a lc y c l i cb e a t i n gc a p a c i t yo fb u c k e tf o u n d a t i o nb yp s e u d os t a t i c e l a s t o p l a s t i cf e m t h ev e r t i c a lc y c l i cb e a r i n gc a p a c i t ym o d e lt e s t so ft h el o a d i n gp l a t ea n ds i n g l e b u c k e tf o u n d a t i o ni nt h es o rc l a yw e r ec o n d u c t e dr e s p e c t i v e l y a n dt e s t sw e r e s i m u l a t e db yf e ma c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tt e s t sc o n d i t i o n su s i n ga b o v em e t h o d r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em e t h o dt oe v a l u a t ev e r t i c a lc y c l i cb e a r i n gc a p a c i t yu s i n gt h e p s e u d os t a t i ce l a s t o p l a s t i cf e mw a sf e a s i b l e b a s e do nt h ec o m p u t a t i o nr e s u l t s c u r v e sb e t w e e nv e r t i c a lc y c l i cb e a r i n gc a p a c i t ya n ds t a t i cl o a d so fs i n g l eb u c k e t f o u n d a t i o nw e r ed e t e r m i n e dc o r r e s p o n d i n gt o5 0 0a n d10 0 0c y c l e st of a i l w ec a n d e t e r m i n et h ev e r t i c a lc y c l i cl o a d st h a tt h eb u c k e tf o u n d a t i o nc o u l ds u p p o r tu n d e r c o n s t a n ts t a t i cl o a db a s e do nt h e m w i t hac e r t a i nc y c l i cl o a d ，w ec a nc o n f i r mt h e m a x i m u ms t a t i cl o a d st h a tt h ef o u n d a t i o nw o u l de n d u r e f i n a l l y , t h ev e r t i c a lc y c l i cb e a t i n gc a p a c i t yo ff o u rc o m b i n e db u c k e t sf o u n d a t i o n i ns o f tc l a y sw a ss t u d i e d b yc h a n g i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nb u c k e t s ，t h es t a t i ca n d c y c l i cb e a t i n gc a p a c i t i e so ff o u rc o m b i n e db u c k e t sf o u n d a t i o nw e r er e s e a r c h e d a l s o t h er e l a t i o n s h i po fb e a t i n gc a p a c i t i e sb e t w e e ns i n g l eb u c k e ta n df o u rc o m b i n e d b u c k e t sf o u n d m i o nw a ss t u d i e d v e r t i c a lc y c l i cb e a t i n gc a p a c i t ym o d e lt e s t so ff o u r b u c k e t sf o u n d a t i o nw h i c hd i s t a n c eb e t w e e nb u c k e t sw a so n et i m ed i a m e t e rw e r e s i m u l a t e db yp s e u d os t a t i ce l a s t o p l a s t i cf e m r e a s u l t sf u l - t h e ri n d i c a t e dt h a tu s i n g t 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 mt oe v a l u a t ev e r t i c a lc y c l i cb e a t i n gc a p a c i t yo f f o u rc o m b i n e db u c k e t sf o u n d a t i o ni ns o f tc l a y si sf e a s i b l e k e yw o r d s ：b u c k e tf o u n d a t i o n , s o f tc l a y , v e r t i c a lc y c l i cb e a t i n gc a p a c i t y , f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，o f f s h o r ep l a t f o r m 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，也不包含为获得苤鲞盘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。 学位论文作者签名： 鼢，签字日期：2 0 0 7年么月 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：叁盗叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：叁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、扩编以供查阅和借阅。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片j 本授权说明) 学位沦文作者签名： 霞皇砖 导师签名： 签字f | 期：二口。7 年月 f 签字同期：心r 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 从十九世纪末开始，世界各国开始关注近海石油资源的勘探和开发，海洋平 台是开发海洋资源的项关键技术，由于其处于海洋这样一个特殊的工作环境， 受力等与陆上建筑不同，海洋平台主要承受的不仅是上部结构和自重引起的静荷 载，而且风浪等循环荷载对其稳定性起着至关重要的作用。这些荷载作用于平台， 由平台传递到基础，进而传递到地基土体，使地基由于承载力不足而产生过大的 变形破坏。所以，评价地基的承载力是海洋平台建造中的一个重要课题，是保证 海洋平台整体稳定性的基础。 海洋平台的发展已经有一百多年的历史，平台形式主要包括固定式和移动 式，固定式平台又分为导管架平台、塔式平刮。移动式平台主要有半潜式平台、 船式平台、沉垫式平台和自升式平台。随着平台形式的发展，平台基础的形式也 不同，从传统的桩基础，重力式基础，到可移动的桶形基础。桶形基础因其施工 方便，可重复使用，造价低廉等特点，而被挪威专家称为“导管架基础工程技术 新时代的曙光”。但是，由于桶形基础是一种特殊结构，对它的计算涉及土材料 本身、土与结构物相互作用和波浪与结构相互作用等强非线性问题，计算分析的 难度可想而知。 在我国滩海地区储藏着丰富的油气资源，而且该地区的环境条件( 极浅水) 和 地质条件( 淤泥质软粘土) 限制了传统海洋平台的使用，但桶形基础却可以大显身 手。因此，我国也积极投入这平台形式的研刭2 。5 】。 对桶形基础的设计内容主要包括两个方面： 1 基础的贯入过程与深度。主要是解决基础能够沉入预定深度，包括： ( 1 ) 下沉阻力计算； ( 2 ) 所需提供的吸力； 2 基础的承载力。主要是解决基础在各种环境荷载条件下不发生大变形所能 承受的荷载，主要包括： ( 1 ) 基础的竖向和水平向静承载力的计算及基础变形分析； ( 2 ) 各种动荷载作用下基础的竖向和水平向循环承载力的计算和变形分析。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 桶形基础的发展概况及其特点 1 1 1 桶形基础的发展概况 随着近年来海洋工业的发展，桶型基础作为单体技术( 如锚桩或负压桩1 在国 外已有广泛的应用，国内也有一定的工程使用。以吸力锚为例：它的原理在6 0 年代就有文献提出讨论，其后经过较长时间的理论研究和室内试验阶段，7 0 年 代后期，先后进入现场的小尺度和大尺度试验，直到1 9 8 0 年f l j s b m ( 单点系泊1 公司负责设计并实现了在欧洲北海丹麦g o r m 油田的系泊储油装置上应用世界 首例吸力锚。这一项成功的工程应用实例为以后吸力锚在世界各地的推广和发展 打下了有力的基础。许多公司和科研单位对桶形基础在海洋平台上的应用展开了 长时间的研究和技术论证。挪威国家石油公司于1 9 8 5 年开展此项工作，并先后 进行了多次小尺度和大尺度试验。1 9 9 4 年7 月，在北海水深7 0 m 的区域。由挪威土 工所研究成功的欧洲管网( e u r o p i p e ) 1 6 i i - e 大型导管架平台的建成并投入使用， 标志着桶形基础的产生。接着n g i 又于1 9 9 6 春天在司来那福斯特s 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【6 】。1 9 9 9 年1 1 月，n o r t h n e m b af l a r e ( n n f ) 基础的成功安装证明了桶形基础作为一种应用于软粘土上的 轻型结构是可行的。n n f 桶形基础在组合荷载，h ，m ) 作用下承载力的研究采 用极限平衡分析法，并由有限元分析作为补充来确定承载力和荷载一变形行为。 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 ，系泊系统使用锚体直径5 m ，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 r i r ap 2 6 的踟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。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 hs 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 m 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f l 列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 度方向，成功地完成深海系泊系统的安装【7 母】。 我国海洋石油资源的勘探和开发较晚，对于桶形基础的试验研究工作，我国 从二十世纪九十年代才开始。1 9 9 7 年，天津大学受中海石油工程公司委托，采 天津大学硕士学位论文第一章绪论 用负压技术为海军设计了三座桶形基础单柱平台，并与渤海石油公司合作安装成 功。1 9 9 8 年2 月大港油田在1 2 井区完成了滩海桶形基础生产平台的现场整体试 验i l0 1 。1 9 9 9 年1 0 月2 5 日，天津大学与胜利石油管理局、国家海洋局第一海洋 研究所等单位合作研究，成功的在胜利石油管理局浅海海域建成了我国第一座桶 形基础采油平台c b 2 0 b 平台，并且一直运行良好【1 1 】。 通过以上对国外和国内桶形基础的发展概况，可见，对于桶形基础的研究已 经取得了一些成功的经验，但是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。 而在海洋环境下，风浪等引起的循环荷载是平台承受的主要荷载，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，在桶形基础的设 计中，循环承载力的研究就显得非常重要。 1 1 2 桶形基础的特点 从上面的叙述可以看出，海上桶形基础采油平台和常规的海上导管架采油平 台的根本区别就在于基础形式的不同，它用桶形基础代替了传统导管架平台的桩 基础，而其甲板和支撑结构的形式与平台基本相同。桶形基础实际上是一短粗的 刚性开口桩，其上端封闭，下端开口，外形象一个倒扣的钢桶，故得名“桶形基 础”。 桶形基础的工作原理是利用渗流理论和桶基负压沉贯原理，把基础做成短粗 的刚性开口薄壁圆筒壳，先利用基础及上部结构的重量将其沉入海底一定深度， 当桶体依靠自重下沉达到稳定后，要再使之下沉就必须采用负压，即用泵系统通 过与桶相连的导管抽取桶内的水与空气，便桶内外产生压力差。当桶内外压差足 够大，可以克服土体的阻力时，桶体就不断地被压入地基土中，直至指定深度。 沉放就位后。泵系统停止工作，桶内负压也逐渐消失，最终恢复到周围环境的压 力。在负压沉桶的过程中，关键是要克服桶体的下沉阻力，主要包括桶内壁与桶 内土体之间的摩擦力，桶外壁与桶外土体之间的摩擦力，以及桶底在下沉时受到 的端阻力。只要在负压下沉过程中能克服下沉阻力，桶形基础就可以顺利下沉至 海底指定深度处。 使用桶形基础作为海洋平台的基础结构简单、施工方便、造价低廉而且可以 重复使用。与传统的桩基相比，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。 天滓大学硕士学位论文第一章绪论 ( 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，在一处油并开采完 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钱，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旌工。 1 2 地基承载力的设计方法 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的本构关系、实效机理的复杂性，使褥桶形基础 与土之间的静、动相互作用都比较复杂。目前对于地基承载力的设计方法，没有 普遍的一致性，主要有下面几种方法： 1 极限平衡法。 g o o d m a n f l 2 1 3 】建议可以通过考察抗压承载力的方法来得到抗拔承载力，即 “逆向承载力法”。挪威土工研究所在设计s n o r r e 张力腿平台的重力裙式基础时 采用了这一假说，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【1 4 1 。 采用滑动面法( s l i ps u r f a c et y p em e t h o d ) 分析桶的承载力。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。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。对每个滑动区进行极限平衡分析，如图1 1 所示，外力均简化到桶裙项 端，考虑主动被动土压力和桶裙摩擦力。在计算时应遵循的原则由以下几条：( 1 ) 天津大学硕士学位论文 第章绪论 将圆形桶基转化为矩形；( 2 ) 对长期荷载采用排水条件；( 3 ) 环境外力简化到裙 底，扣除土对裙墙的作用力；( 4 ) 对环境荷载计算时采用不排水条件；( 5 ) 将裙 底的荷载作用在有效的基础范围内；( 6 ) 被滑动面包围的土体划分成几个三角形 单元；( 7 ) 反复计算各三角形单元的平衡直到平衡剪应力被确定。 j 士4 一“ 图1 1 滑动面几何形状与受力示意图 2 v - h 破坏包络面法。z d r a v k o v i ce ta l t l 5 1 在软粘土上，采用与水平面成0 9 0 度的不同荷载角度，对吸力沉箱进行了有限元分析，发现倾斜荷载作用下吸力沉 箱的抗拔承载力满足由下式确定的椭圆形破坏包络面。 。+ 刹= - 式中：，风，f 一分别为倾斜荷载作用下，抗拔承载力的竖向和水平向分量；。， h 麟一分别为单独竖向荷载作用下竖向承载力和单独水平荷载作用下的 水平承载力；a ，6 一与土性有关的参数，需要通过模型试验或者数值计算 来确定。 3 有限元法1 1 6 - 1 9 】。随着计算机的发展，这种方法应用越来越广泛。通过建立 2 d 或3 d 的有限元模型来模拟桶和土之间的相互作用。因为吸力锚是一个具有轴 对称几何特性的圆柱单元。然而，在拉紧固定好的系统，锚的受荷是倾斜的，在 其周围土体中产生一种完全3 维的应力状态。因此，对问题的分析必须使用3 d 弹塑性模型。而使用真实的3 d 模型进行非线性设计分析的计算量是非常大的。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 为了减少计算量，使用一种基于傅立叶级数的伪3 d 方法。在这种方法中，力和 位移沿圆周( 0 ) 方向延伸来用2 d 的计算解决3 d 问题。即采用轴对称模型进行分 析。这种方法首先由w i l s o n 2 0 1 在1 9 6 5 年用线弹性分析圆柱形的航天器。从那时 开始就推广到了各种非线性领域，包括成功应用于许多岩土问题，比如w i n n i c k i 和z i e n k i e w i e z 2 1 】对轴对称结构在非轴对称荷载作用下的塑性或粘塑性性状的研 究，以及g r i f f i t h s 和l a n e t 2 2 j 对十字板剪切试验进行了有限元分析。还有许多方 法用于了吸力沉箱的分析，比如h a n s t e e n 和h o e g 2 3 】分析了张拉荷载作用下吸力 沉箱沉入土体后土与结构的相互作用，以及z d r a v k o v i e ，k o l k 和k a y 对北海 n e m b af l a r e 桶形基础的设计研究。2 0 0 3 年在巴西海岸深水区安装的b a r r a c u d a $ 1 c a r a t i n g a 吸力锚的抗拔承载力计算也采用了有限元方澍驯。刘振纹【2 5 】也曾通过有 限元计算与地基极限承载力关系式结果的比较，研究了单桶基础的竖向破坏模 式，基础埋深范围内土体强度以及基础形状对地基竖向承载力的影响，结果表明， 汉森和魏西克地基极限承载力关系式能较好反映单桶基础的地基竖向承载力特 性。 4 基于塑性极限分析理论的上限法【2 6 1 。这种方法是根据饱和软粘土中桶形基 础的工作特点确立了其在侧向荷载作用下的一种新的三维组合破坏模式，基于塑 性极限分析理论的上限法建立了受侧向荷载作用的、饱和软粘土中桶形基础的极 限分析模型，运用非线性数学规划的n e l d e r - - m e a d 改进单纯形法，并结合遗传算 法对相关参数进行寻优，求得上述破坏机制的最危险模式及侧向荷载的最小上限 解。把桶形基础的土体，在侧向荷载作用下视为弹塑性或刚塑性体，在一定的边 值条件下满足静力条件、机动条件、本构方程，以求得唯一的极限荷载。文献 2 6 】 中采用弹塑性极限分析中的上限法，即根据假定的速度场内，外力所作功率与地 基土体内部耗散功率相等的原则求解。上限解仅满足机动条件与屈服条件，应力 场服从机动条件或塑性功率不为负的条件，从极限荷载的上限方面趋近极限荷 载。上限荷载愈小愈接近于真实极限荷载。因此，最小的上限荷载可作为真实极 限荷载的一个极佳的近似。相对于传统的基于弹塑性模型的变形分析方法，上限 法极限分析模型的最大特点在于在求解大直径薄壁圆筒结构上的侧向极限荷载 过程中避开了复杂的非线性弹塑性有限元技术对加载全过程的跟踪分析。且给出 了桶形基础破坏机理的定量或定性描述。 1 3 循环承载力的研究现状 桶形基础在海洋环境中承载，受到静荷载和循环荷载的共同作用，在这种情 况下，就需要确定桶形基础的循环承载力。目前，对于循环承载力的确定方法， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 国内外主要有下面几种。 1 二维极限平衡法【2 7 】。挪威土工研究所的a n d e r s e n 等针对i e 1 1 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闯题，存在一定的局限性。 且需要对同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 p r e v o s t 和m a r r 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【2 8 】。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。 3 拟静力法。由于地基土的循环强度不仅取决于循环荷载的大小，而且取决 于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陟3 0 1 。他把循环荷载对地基承载力 的影响转化为地基土强度的降低，定义土的循环衰减强度为在一定的循环应力作 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。进一步建立了一 种通过有限元迭代计算估计软土地基不排水循环承载力的方法。通过循环三轴试 验确定不同的循环破坏振次下，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。 本文中将采用拟静力弹塑性有限元法对软土中桶形基础的竖向循环承载力 进行计算分析，并通过模型试验进行对比分析这种方法在评价竖向循环承载力的 可行性。 1 4 论文的主要研究内容 本文主要研究了以下几个方面的内容： ( 1 ) 通过软粘土地基上载荷板静承载力试验，分析地基土强度与承载力之间 的关系，为软土中桶形基础承载力的有限元计算参数选取提供依据。针对软粘土 地基上圆形板基础进行承载力模型试验，通过比较试验结果、有限元计算结果与 承载力公式计算结果，研究在不固结不排水条件下，软粘土的强度、承载力之间 的关系。综合分析试验、有限元和承载力公式计算结果，对软粘土地基的破坏模 式进行了讨论，最终建议了在软土地基承载力有限元计算中确定地基土计算参数 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的方法。 ( 2 ) 阐述用拟静力法评价不固结不排水条件下软粘土中桶形基础竖向循环承 载力的理论基础和方法。进而，通过单桶基础和载荷板竖向循环承载力模型试验 和有限元计算的比较，验证拟静力法评价软土地基竖向循环承载力的可行性。通 过计算分析，给出了单桶基础在不同静荷载作用时，地基竖向循环承载力的变化 关系。 ( 3 ) 通过弹塑性有限元计算，分析了桶间距对四桶组合基础竖向承载力的影 响。用3 d 有限元计算的方法，通过改变桶间距分析四桶组合基础竖向静承载力 和竖向循环承载力的变化规律，并与相应的单桶基础静承载力和竖向循环承载力 进行比较，阐明桶间距对四桶组合基础竖向静承载力和循环承载力与单桶基础竖 向静承载力与循环承载力之间关系的影响。进而，通过单桶和四桶竖向循环承载 力模型试验，对计算分析结果的合理性进行验证。 天津大学硕士学位论文 第二章有限元计算中土参数的选取方法 第二章有限元计算中土参数的选取方法 用拟静力法评价软粘土地基上桶形基础的竖向循环承载力，需要由有限元法 来实现。采用有限元方法进行计算时，模型的建立和模型参数的合理选取都是非 常重要的，参数选取的是否合理甚至更重要一些。以下，针对本文涉及的软粘土 特性，对软土地基的承载力以及在有限元计算中如何合理选择计算土参数进行研 究。 2 1 软土地基承载力与参数的关系研究 软土地基承载力的计算理论基础，就是将基底下的局部塑性区和地基的变形 ( 包括差异变形) 限制在一定的范围内，使两者都能得到保证，则建筑物基础就会 保持稳定性，而稳定性实质就是地基土的剪切破坏问题。求解软土地基极限荷载 或临界荷载是确定地基容许承载力的理论方法，其中，土的不排水抗剪强度s 。和 内摩擦角9 是计算公式的重要参数。地基土的强度实质上也就是土的抗剪强度， 如何选择s u 、妒值，将直接影响地基承载力的计算值。对于饱和软粘土，其内摩 擦角近似为零。 文献【3 1 】通过对土性参数的敏感性试验分析，发现在对桶型基础地基承载力 影响的土参数中，粘聚力是主要的高敏感性参数，内摩擦角和有效重度是低敏感 性参数。下面主要讨论粘聚力( 即土的不排水抗剪强度s 。) 对地基承载力的影响。 下面通过模型试验结合地基承载力公式，对软土地基的承载力与土的不排水抗剪 强度间的关系进行分析讨论。 2 1 1 模型试验 在进行桶形基础承载力试验时，由于沉桶过程会对地基土体造成不同程度的 扰动，以及承载力受到桶壁与土体之间摩擦的影响，而摩擦系数的确定还没有一 个标准，为了除去上面涉及的因素，只研究土性即土参数对承载力的影响，采用 圆形承载板进行地基承载力试验，承载板直径0 1 9 m ，厚0 o l i n 。 模型试验是在长、宽均为1 8 m ，高2 1 m 的土池内进行的。采用淤泥质软粘 土，基本物性指标如表2 1 所示。采用真空预压方法制备模型试验土层，以便尽 量保证土层的均匀性。制备时，先将淤泥质粘土配制成含水量为8 0 络8 6 的泥 天津大学硕士学位论文第二章有限元计算中土参数的选取方法 浆，然后分层放入土池的膜袋内，直至土池中泥浆深度接近1 8 m 。为加速预压 固结速度，在泥浆的上下表面以及四周铺设了5 m m 厚无纺土工布作为排水路径。 采用真空泵作为真空源，抽真空期间膜袋上部的真空预压荷载基本维持在5 0 k p a 左右。通过监测土层中的出水量以及土层上表面的沉降控制土层的预压结果。 表2 1预压后土层的基本物性指标 l 容_ _ 莺( k n m 3 ) l 含水量( ) i 液限( ) i 塑限( ) i l 1 6 5 i 6 2 2 i 5 0 6 i 2 6 4 i 载荷板竖向静承载力试验采用分级堆载加载方式，一级荷载下位移稳定后施 加下一级荷载，由于载荷板没有埋深，荷载的施加务必对称，否则就会对基础产 生偏心荷载，进而产生弯矩。试验在不同的位置共进行了五次，每次试验之前均 取土样进行无侧限抗压强度试验以确定地基土的不排水抗剪强度s u 。试验在土池 的不同位置进行，试验位置示意图如图2 1 所示，得到的静承载力荷载一位移曲 线如图2 2 所示，文献 3 2 认为，软土地基上的浅基础破坏时沉降量约为基础宽 度的3 7 。针对模型试验中采用的饱和软粘土地基性质，将竖向沉降量达 到0 0 5 d ( d 为载荷板的直径) 时对应的竖向荷载，确定为软土地基上载荷板的竖向 静承载力v f ，结果见表2 2 。表中，s u 是无侧限抗压强度试验得到的土的不排水 抗剪强度，v 提以总荷载表示的地基竖向极限承载力，载荷板竖向承载力试验破 坏状态如图2 3 所示。 图2 一l 模型试验位置示意图 天津大学硕士学位论文 第二章有限元计算中土参数的选驻方汪 v f n l 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 图2 - 3 载荷板竖向静承戴力试验破坏状志 天津大学硕士学位论文第二章有限元计算中土参数的选取方i 杰 2 1 2 承载力公式计算结果分析 采用地基承载力公式，依据模型试验中采用的软粘土性质进行承载力计算。 需要指出的是，这些承载力公式都采用了相同的假定条件，即把地基土看成是不 可变形的刚塑性材料，基于这种假定所导出的公式只能适用于地基土整体剪切破 坏的情况。下面针对软粘土对各承载力公式及其影响因素进行综述。 1 太沙基公式： 户= 以+ g _ + 三y 哪 ( 2 1 ) 式中：r 地基土的粘聚力；y 一地基土的容重；伊一基础宽度；m ，y 一 无因次承载力系数，均为内摩擦角缈的函数。对于软土，p = o ，当基底 粗糙时：m = 5 7 ，= l ，y = 0 ；太沙基提出对方形或圆形基础c 值应 增大为1 3 倍。 为了考虑土的压缩性影响，太沙基推荐了一种半经验性的强度折减方法， c = - 厶i c o ，t 蠲缈= ：t 跹，以考虑承载力计算中地基土压缩性的影响。 j j 2 斯凯普顿( s k c m p t o n ) 公式： p = 5 c ( 1 + 。2 兰) ( 1 + o 2 号) + 乃( 2 - 2 ) 式中： 一基础的长度；其他参数意义与太沙基公式相同：l + o 2 导是形状系数； 玲 1 + 0 2 罢1 + 0 2 昙是深度系数，是考虑基底以上土层抗剪强度的结果，当 bb 百d 2 5 时，按旦b = 2 5 考虑。 3 魏西克公式：基本形式与太沙基公式相同。对于形状因素的确定，魏西克 和比尔以比利时根特港的试验结果为依据，采用半经验的方法对形状参数进行了 如下建议： p = c n c 毛c + q n q 专q + 专y b n ，薯， q 一乱 式中：善为形状因素，对于圆形或方形基础，色= l + 等， - - - 1 + t a n 伊，缶= 。6 ， 对于伊= o 的软粘土上的圆形或方形基础，复= 1 2 ，乞2 i ，号= o 6 。 天津大学硕士学位论文第二章有限元计算中土参数的选取方法 汉森公式： = c u o s c a j 。+ q n q s g d q i q + lrsv,s,i,(2-4) 式中：札= ( 一1 ) c 。t 伊，虬_ e j r t n n p t a n 2 ( 4 5 。一詈) ，= 1 5 ( 虬一1 ) t a n 9 。当缈= o 时，c = 5 1 4 ，_ = l 一= 。；s r = i - 0 4 亨，s , = s c = 1 + 0 2 b z ；当鱼b l 时，吐= 1 + o 4 罟，吒= 1 + 2 t a nq ，( 1 一s i n q , ) 2 詈，当鲁 1 时， d c = 1 + 0 4 t a n 1 ( 詈) ，d q = l + 2 t a n 砷一s i l l t a n 一每) 。 r - c n c s 建+ q n q s q a , + 毛y b n d ，( 2 - 5 ) 式中： c = ( 一1 ) c o t 0 9 ，m = 矿锄pt a n 2 ( 4 5 。一罢) ，t = ( u 一1 ) t a n ( 1 4 伊) 。当 秒= o 时，以25 1 4 ，。1 ，2o ；s = 1 + o 。2 砗，当q t 1 0 。时，s q = s ，= 1 0 ，k 口= t a n 2 ( 4 5 。+ 罢) ，妒= o 时，k p - - 1 ；以= l + 0 2 厄詈，当心0 0 时，嘭= _ 1 + 0 1 k 呖d ，当 够 1 0 。时，d q = d r = 1 0 。 根据无侧限抗压强度试验得到土的不排水抗剪强度s 。值，带入各承载力公式 计算所得结果与模型试验结果比较如表2 - 3 所示。 分析表2 3 可知，太沙基公式的计算结果与模型试验结果较接近。比较以上 各承载力公式和计算结果，公式形式都近似，不同之处主要在于，除太沙基公式 考虑了软土地基上可能发生局部剪切破坏或冲剪破坏，从而对强度进行了折减， 而其他各承载力公式都是建立在整体剪切破坏假设基础上的。文献 3 1 对土性参 数的敏感性试验分析结果表明，粘聚力是影响桶形基础地基承载力的主要高敏感 性参数，太沙基公式考虑了对土强度的折减，这对承载力的计算结果影响很大。 在载荷板的承载力试验中，由于没有埋深，强度的影响更大。 天津大学硕士学位论文 第二章有限元计算中土参数的选取方法 表2 3 公式与试验静承载力比较 试验名称试验一试验二 试骀= 试验四试验五 试验位置 abcac ( 肼) 口) 5 57 34 66 95 9 5 试验( 加 5 8 87 8 44 9 07 6 4 46 8 6 太沙基( n7 7 01 0 2 2 6 4 4 9 6 68 3 3 斯开普顿( n 9 3 51 2 4 17 8 21 1 7 31 0 1 l 魏西克( 加 9 6 11 2 7 6 8 0 4 1 2 0 5