固结对大圆筒结构工作性能的影响研究生学位论文开题报告(定稿)

研究生学位论文开题报告 学位级别 硕 士 学科专业 建筑与土木工程 姓 名 指导教师 入学年月 2012年9月 填表日期 2013 年 6 月 26 日任务来源实际工程校项目编号经 费课题名称固结对大圆筒结构工作性能的影响论文题目或选题范围固结对大圆筒结构工作性能的影响阅读文献情 况国内文献 30 篇开题日期2013年7月5日国外文献 10 篇开题地点一、 研究目的和研究意义研究目的：随着人类的活动范围逐渐扩大。位于沿海岸地区的港口工程逐渐向深海地区发展，深海地区土质多为软土地基，强度较差，自然条件比近海岸地区复杂。这将导致传统的水工结构在深海地区施工、设计的困难。大圆筒防波堤或者码头是一种无底的薄壁圆壳结构。大圆筒结构具有施工简捷、造价低、耐久性好等特点，能够较好的适应水深、浪大、地基软弱的恶劣环境。因此，大圆筒结构越来越多的应用到水工结构中，并已有很多成功的案例。本文的研究是建立在已有文献的工作基础之上，围绕在考虑固结情况下的大圆筒结构的筒内外土压力的变化、转动点的变化、稳定性的变化展开进行。现有的研究中，甚少有学者进行过固结对大圆筒结构工作机理的影响方面的研究。因此，本文的出发点相对而言比较新颖。本文研究的目的是探究土体发生固结过程中，大圆筒结构的工作性能，进行结构稳定性分析和变位分析，分析在固结过程中影响大圆筒稳定性的主要因素。研究意义：在深海区，将频繁的面对大面积软弱地基的问题，传统的重力式结构、桩基基础等由于缺乏合适的持力层，从而需要大面积换填土或者加大桩基的埋深，导致工程造价比起近海施工更加高昂。而大圆筒结构，是依靠一定的施工工艺，将预制件直接插入土中，施工简单方便。大圆筒结构形式主要是钢筋混凝土薄壳圆筒或钢圆筒结构，筒壳内用砂、土或块石回填，与传统的水工结构相比，大圆筒结构材料用量更少，从人力和材料上节约了经济开支。现有的实际工程案例表明，大圆筒结构作为一种新型结构，适合软土地基上的运用，为人类社会向更广阔的空间发展奠定了基础。正因为大圆筒结构具有良好的发展前景，以及其相比较传统水工结构的优越性。因此，国内外越来越多的学者致力于大圆筒结构的研究，以期建立完善的大圆筒结构的设计理论。通过近些年众多学者的研究和发展，有关大圆筒结构的设计取得了长足的进步。大圆筒结构按照沉入型式可以分为重力式大圆筒结构和沉入式大圆筒结构，重力式结构需要将大圆筒沉入抛石基床上，而沉入式大圆筒结构则适用于软土地基。目前，重力式大圆筒结构已经有了比较成熟方法，并已经有了许多成功的工程实例。而适用于软土地基的沉入式大圆筒结构的计算理论并不成熟。二、 国内外研究现状在开展本文研究工作考虑固结情况下大圆筒结构工作性能的研究之前，首先要了解目前有关大圆筒结构的研究成果。现有的文献主要是围绕大圆筒结构的稳定性、大圆筒筒内外土压力、循环荷载作用下土的软化对大圆筒结构的影响等方面展开进行的，研究的方法主要是通过实验、数值分析以及理论分析。国外研究现状：大圆筒结构于20世纪40年代创始于法国，1947年1949年，在法国勒阿弗尔港采用直径9m的薄壳圆筒建造了长308m的帕斯基耶爱尔曼码头。此后，大圆筒结构在法国得到广泛应用。1971年，前苏联G.D.卡斯挈克和O.H.凡恰戈夫01提出以波陡(H0/L)为参数的薄壳圆筒结构波浪力计算的经验公式。1982年，俄国列瓦切夫02编撰薄壳在水工建筑中的应用，介绍了苏联和其它国家采用大直径薄壳结构的经验、计算方法以及实验的方法和发展的方向，为后来学者的研究奠定了重要的基础。1989年，Peter Justesen03用一个平滑圆筒和两个粗糙圆筒进行实验，联立KC、粗糙度等系数构成一个函数，分析大圆筒在动水作用下的工作性能。1990年，俄国学者04基于相邻筒体之间不存在相互影响的前提，在莫斯科进行的实验研究和阐述了建筑物曲面上土压力水平分布问题。 1997年，J.Y. Ooi和K.M. She05通过实验发现筒仓内填土压力与Janssen理论存在差异，认为几何缺陷的存在是引起差异的原因，并通过有限元分析进行理论验证。2001年，B.M. Sumer和J. Fredsoe06通过实验证明绕着垂直大圆筒结构的波衍射的存在，并且波的冲刷与衍射参数有关。2002年，Th.A. Winterstetter和H. Schmidt07指出筒壳结构在土木工程领域应用广泛，通过对承受复杂荷载的筒壳结构试验分析和数值研究，分析哪些荷载对筒壳结构稳定性影响较大，同时它还提出怎样用几何缺陷替代真实屈服行为的数值模拟建议。2007年，K. Sankarbabu08等在线性波与多孔单筒相互作用研究结果的基础上，致力于研究线性波与一组多孔圆筒中某个单筒的多重相互作用，并与孤立筒的研究结果进行比较。2008年，P. Vidal09等对灌注圆柱形筒仓进行三维有限元分析，通过改变边界条件，对比刚性墙和柔性墙上的压力分布，评估作用在筒仓筒壁上的膜应力等。2012年，Firooz Bakhtiari-Nejad和Seyed Milad Mousavi Bideleh10采用SandersKoiter薄壳非线性理论分析放置于温克尔地基上的薄壳结构应力与位移的关系。国内研究现状：我国从20世纪80年代中期开始研究大圆筒结构，据了解，已成功应用的实际工程有十多个。围绕大圆筒结构筒内外的土压力分布于计算、大圆筒结构稳定性分析、大圆筒结构的动力响应等方面，国内学者展开许多的研究。跟据现有的文献可得知，筒内外土压力的分析主要是通过实验得出一些经验公式，也有部分学者通过对挡土墙的土压力的推导，并经过一定的折减得出大圆筒的筒内外土压力的分布情况。对于稳定性分析，用于抵抗水平波浪荷载的大圆筒结构主要破坏形式是倾覆破坏，因此结构的稳定性以及变位的分析是大圆筒结构研究的重点。现有的理论计算方法主要可以归为以下几类：基于重力式结构的计算方法、力的极限平衡法、弹性地基系数抗力法、极限变位控制法、基于无锚板桩的计算方法等。随着有限元理论的发展和大型通用有限元软件的兴起，越来越多的学者在研究工作中采用有限元软件进行理论分析与验证。1994年，天津大学刘建起等1112通过模型试验实测了作用在大直径圆筒岸壁上的内、外土压力强度及其位移，对埋入式大圆筒结构的稳定性进行了理论探讨，并提出稳定性计算公式。1995年，李炎保等13通过对四个大直径圆筒结构工程施工期稳定性模型试验资料的分析，说明空筒的稳定是大直径圆筒结构施工安全的控制条件。分析了施工期圆筒失稳方式，圆筒直径，筒顶高程对稳定的影响，指出迭合圆筒位于水位变动区一节稳定性最差。1998年，竺存宏等14对目前国内外学者提出的大圆筒抗倾计算方法进行分析比较，指出这些计算方法中存在的问题，提出了沉入式大圆筒新的抗倾计算方法，可指导大圆筒抗倾计算方法的进一步研究。杨联正和马永远15结合工程实例，在研究天津地区大国筒下沉到粉砂层的可能性的基础上，介绍了深埋式大圆筒的几种下沉施工工艺。 2001年，徐光明等16通过土工物理离心实验对大圆筒结构形式码头工作机理所作的研究，就沉入式大圆筒的深高比、径高比和筒壁摩擦作用对工作性状影响规律进行了初步研究，另外还尝试测定了大圆筒侧壁土压力分布规律。2002年，王广德等17通过对大圆筒与粘土相互作用模型试验研究，总结了粘土中大圆筒筒内外土压力的分布规律，提出了粘土中大圆筒筒内外土压力的计算方法。刘海笑等18进行了不同波浪条件下的随机波水槽实验并测取了结构表面的动土压力时程，通过在时域和频域的综合分析并结合结构的实际失稳状态，对沉入式大圆筒结构的失稳破坏机理进行了探索和阐释，得出结构的振动响应导致地基土强度软化以及不可逆塑性变形的发展，以致在波浪的持续作用下使结构发生倾斜并最终倾倒，是随机波作用下沉入式大圆筒结构失稳破坏的主要原因。2002年2003年，竺存宏1920通过试验和理论分析指出了筒外壁曲面对土压力分布的影响，在土压力计算中引入性状系数的概念，并提出了圆筒的形状系数与筒径关系的经验公式。王元战等2122以工程应用为原则，提出了大直径圆筒桩墙式的新概念，根据大圆筒结构直径很大的特点，在桩墙式计算方法基础上，进一步考虑土体作用于筒底的水平切力、筒底土反力、以及筒内外土体对筒壁的竖向摩擦力对稳定性的作用，建立了沉入式大圆筒结构满足稳定性要求的嵌固深度计算方法。许英等23研究探讨了大圆筒在结构临界状态下内外土压力的分布模式，建立了大圆筒的抗倾稳定条件。2003年2004年，王元战等2426采用库伦土压力理论，分析了挡土墙、墙体绕基础转动情况下的挡土墙以及墙体绕墙顶转动情况下的挡土墙的土压力的分布形式以及计算方法。2005年，王晖等27对大圆筒结构稳定性分析中的各种计算方法进行了综合评述与讨论，尤其对大圆筒结构在波浪荷载作用下，各方法采用的受力计算模式及其计算结果进行了深入剖析，明确了一些概念性问题。钟晓红等28用弹簧元模拟薄壁圆筒与地基土体接触面间的连接所形成一种简化的数值计算模型，运用有限元软件 ANSYS 进行二次开发后对其进行数值模拟，比较对筒内外淤泥粘土采用不同加固处理方法以及考虑相邻圆筒间采用不同边界约束条件时，对圆筒的应力和稳定性的影响2006年，王刚等29采用有限元软件MARC，根据弹塑性有限元法，求解大圆筒结构在指定波浪条件下的荷载-位移关系曲线，确定结构的极限承载力。2008年，李晓舟和吴相豪30采用有限元软件ABAQUS进行数值分析，进行不同筒径和埋深下的沉入式大直径圆筒码头结构的静力分析，研究大直径圆筒结构墙前后土压力分布规律，完善大直径圆筒结构土压力的计算方法。王元战和王光良31总结了大圆筒结构工作性能分析的理论分析和数值模拟的方法。2009年，李飞32通过ABAQUS模拟大圆筒结构在竖向载荷和水平载荷作用下的倾覆，由位移变化寻找其倾覆转动点。姚文娟等33利用有限元思想，将筒体视为刚体，将筒内外土体用垂直于筒体、竖向以及法向的弹簧进行模拟，建立三维模型，进行动力计算分析。通过分析一些参数对塑性变形累计的影响，得出土体塑性变形受累计受埋深、土体重力、孔隙比影响较大。范庆来等34将Andersen等建议的软黏土循环强度概念与不排水条件下Duncan -Chang非线性应力应变关系相结合，通过ABAQUS建立了非线性弹塑性-循环强度模型，分析得出大圆筒结构物地基在循环破坏时的失稳形态及地基中等效塑性应变的分布与极限破坏状态时存在较大差异。2010年，许哲等35采用有限元软件ANSYS建立大圆筒结构模型，对大圆筒中内填土压力进行有限元分析，改变地基土的变形模量、泊松比，得出大圆筒内填土的压力分布变化。王元战等36给出了构造筒形基础结构-地基系统弹塑性有限元数值模型的要点，提出了基于有限元数值计算结果进行结构稳定性判别的准则，建立了筒形基础结构稳定性分析的有限元方法。彭志豪等37将沉入式大直径薄壁圆筒等效成一个平面的刚体，根据日本规范中的测试结果，结合WINKLER地基模型和美国API 标准模拟土体对大圆筒的作用，分析沉入式大直径薄壁圆筒的变形、位移以及土抗力的发展情况。肖忠等38通过二次开发，将软黏土的循环强度与D-P屈服准则相结合，基于拟静力分析建立了波浪循环作用下考虑软土地基弱化效应的大圆筒结构稳定性计算模型，得出考虑地基循环弱化效应时，大圆筒结构的稳定性安全系数显著降低的结论。2011年，蒋玲和刘祚秋39提出了垂直平分线法求大圆筒旋转点，通过有限差分软件模拟圆筒在水平荷载作用下的倾覆，由转动前后的模型定位寻找其倾覆旋转点，并分析了其倾覆转动点随不同控制参数的变化规律。2012年，王元战和蔡雅慧40假设通过弱化土体强度来实现对结构极限破坏状态的模拟，建立了沉入式大圆筒防波堤稳定性分析的有限元强度折减法。三、 基本内容、重点、方法和难点基本内容：目前，有关大圆筒结构的文献中甚少考虑土的固结对于大圆筒结构工作性能的影响。因此，本文主要内容是进行固结方面的研究，在这过程中将会逐一介绍土压力的分布，转动点的变化以及稳定性的变化等方面的内容。第一章 绪论 阐述本课题的研究背景、研究意义、主要研究的内容，大圆筒结构的特点以及国内外的研究现状。第二章 有限元计算相关理论。在本章详细介绍有限元法的基本原理，以及大型通用有限元软件ABAQUS分析时所涉及的一些概念，比如土的本构模型的选择，设置分析步时时间步长的确定，大圆筒结构稳定性分析时常用的强度折减法和加载系数法的方法和步骤，以及失稳判别准则。第三章 数值分析模型的建立。通过大型通用有限元软件ABAQUS分别建立大圆筒结构在不考虑固结和考虑固结两种情况下的分析模型。建立过程中，需要通过合适的假定确定计算域的大小，根据实际工况，合理确定材料的相关系数，简化波浪力的作用，设置合适的接触面和接触模型，考虑土体初始应力场的模拟，以及土体边界条件的设置。在建立固结情况下的大圆筒模型时，需要注意如何模拟土体的固结情况，分析步的设置于不考虑固结情况有何不同。第四章 固结模型与不考虑固结的模型模拟情况的对比。利用上一节中建立的分析模型，得出判别大圆筒结构是否失稳的强度曲线，比较这两种情况下结构稳定性安全因数的大小。提取数据，分别得出位移沿着大圆筒母线的变化，以及土压力的变化，比较固结过程中，土压力以及转动点分别有何改变。第五章 考虑固结大圆筒结构稳定性影响因素分析。分别改变大圆筒结构的埋深、大圆筒的筒径、大圆筒的壁厚、土体的弹性模量等因素，分析这些因素对固结或者大圆筒结构的稳定性粉笔有何影响。第六章 考虑固结的大圆筒结构稳定性的理论分析。结合现有学者提出相关筒内外土压力分布的理论以及大圆筒结构稳定性分析的相关概念，通过一定的假设简化，分析固结对大圆筒结构工作性能的影响。第七章 结论和展望。总结上述章节的分析结果，以及本文中存在的不足之处，对本领域将来的工作提出一些参考意见和展望。研究重点：土的固结是指饱和土体在压力作用下，随着时间的变化，土中孔隙水不断排出，孔隙体积不断减小的过程。在固结过程中，发生改变的主要是孔隙水压力以及土体位移，导致土体发生沉降。由于结构材料的不均匀性以及受力的不均匀性，固结将会导致土的沉降不均匀，直接影响了大圆筒结构的工作性能发生变化。因此研究的内容主要集中在以下几个方面：1、 不均匀的压力将会导致不均匀的沉降，不均匀沉降对于大圆筒结构倾覆破坏有怎样的影响，是否可以利用这不均匀沉降来促进大圆筒结构的稳定。2、 土的固结，对于大圆筒结构失稳破坏时的转动点是否会发生影响。3、 研究大圆筒结构需要采用什么样的固结理论，太沙基单向固结理论还是采用相应的三向固结理论。如何用ABAQUS软件实现固结理论。4、 固结主要影响大圆筒结构的哪些方面，哪些因素影响了固结对大圆筒的作用。5、 当考虑固结时，在实际应用中大圆筒结构的沉入深度又如何计算。研究的对象主要是大圆筒防波堤和大圆筒码头两种主要类型。研究难点：1、 土压力的计算。现有的文献中，有关土压力的分布，大部分是通过朗肯土压力理论或者库伦土压力理论乘以相应的折减系数得到的，并且有关转动点一般是假设绕着筒底某点进行转动，通过实验证明，沉入式大圆筒结构的转动点可能为轴线上某点或者母线上的某点处，本文也假设转动点是位于轴线上某点出进行理论推导，因此，现有的土压力理论不适用于本文的研究。本文首先面临的一个困难是，当挡土墙围绕着墙中某一点发生转动时，挡土墙上的土压力是如何分布，如何计算。2、 固结过程中转动点如何发生变化。在理论分析中如何考虑转动点的变化。3、 数值模拟过程中，难点在于大圆筒模型的建立，以及怎样利用强度折减法进行大圆筒结构稳定性的分析。因为很少有文章研究固结对大圆筒结构的影响，选择怎样的土体本构模型，不同的本构模型对稳定性分析影响如何都是未知数。4、 考虑固结情况的数值模拟结果的正确性如何进行验证。四、 研究方法和预期结果研究方法：研究方法主要是理论分析，以及通过大型通用有限元软件ABAQUS进行数值模拟。理论分析时先假设固结沉降后转动点在原处不变化或者固结沉降后转动点随沉降下降，下降位移为沉降位移。利用现有文献当中给出的有关土压力的分布分别计算出筒内外的主被动土压力的大小，筒底反力，筒底切向力等作用力的大小，利用力的极限平衡法推导大圆筒结构的工作机理。数值模拟时，重点在于建立考虑不同因素的大圆筒模型，本文重点是研究固结对大圆筒结构的影响，因此需要分别建立不考虑固结的大圆筒结构的模型以及考虑固结的大圆筒结构的模型进行对比分析，利用大圆筒模型稳定性分析中常用的加载系数法或者强度折减法进行稳定性分析，提取得出的数据得出强度曲线，土压力分布曲线，位移变化曲线，分析稳定性、土压力、转动点的变化。预期结果：通过本课题的研究，拟在国内核心期刊上发表论文1-2篇，并完成硕士毕业论文。参考文献：01 Kascachek G D, Wanzakov O M. 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