軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究.pdf

1、本文圍繞波浪循環(huán)荷載作用下軟基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模式與工作性能等方面進(jìn)行了比較系統(tǒng)而深入的探索，論文的主要研究工作包括下列方面： 1.在大型通用有限元分析軟件ABAQUS平臺(tái)上，建立了單調(diào)加載條件下軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型。 采用先進(jìn)的摩擦接觸算法來模擬筒-土之間界面上的復(fù)雜力學(xué)行為，建立了考慮筒外界面與土體之間可能產(chǎn)生裂縫與不考慮筒外界面與土體之間的裂縫的兩種有限元計(jì)算模型，同時(shí)考慮了筒內(nèi)側(cè)、筒

2、底界面與臨近土體之間的摩擦接觸特性，克服了通常有限元分析中沒有考慮筒外界面與土體之間可能產(chǎn)生裂縫或者沒有考慮筒內(nèi)側(cè)界面與筒內(nèi)土體界面上摩擦接觸特性的缺點(diǎn)，較全面而合理地反映了結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用機(jī)制。根據(jù)有限元分析，可以發(fā)現(xiàn)軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞機(jī)制為繞著泥面以下、筒底以上某點(diǎn)發(fā)生整體轉(zhuǎn)動(dòng)而傾覆破壞，這明顯不同于傳統(tǒng)的重力式結(jié)構(gòu)或者樁基結(jié)構(gòu)。根據(jù)破壞時(shí)筒土之間是否形成裂縫，將大圓筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞機(jī)制分為單面破壞模式和雙面

3、破壞模式，在雙面破壞模式中，筒前、筒后各有一個(gè)破壞楔體，而在單面破壞模式中，僅在筒前有一個(gè)被動(dòng)破壞楔體。 2.在由有限元計(jì)算分析所得到的軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式的基礎(chǔ)上，提出了大圓筒結(jié)構(gòu)水平承載力的改進(jìn)三維極限分析上限解法。 根據(jù)有限元分析所得到的軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式，在上限極限分析中對(duì)失穩(wěn)破壞機(jī)制采用下述假定：大圓筒結(jié)構(gòu)繞筒體內(nèi)中軸線上某點(diǎn)發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)傾覆失穩(wěn)，靠近泥面附近的淺層土體內(nèi)形成潛在破

4、壞楔體，而筒底部形成球形滑裂面，從而避免了Murff-Hamilton失穩(wěn)機(jī)制中深層土體水平運(yùn)動(dòng)模式與整個(gè)體系旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模式不協(xié)調(diào)的缺點(diǎn)。以此為基礎(chǔ)，基于塑性極限分析原理，并考慮軟土地基不排水抗剪強(qiáng)度的各向異性效應(yīng)，建立了一種改進(jìn)的三維極限分析上限解法。根據(jù)加載過程中筒后主動(dòng)側(cè)土體與筒體之間界面的脫離或黏結(jié)等兩種不同的接觸狀態(tài)，將可能的破壞機(jī)制劃分為僅在筒前被動(dòng)側(cè)形成楔體破壞的單面破壞機(jī)制與在筒后主動(dòng)側(cè)和筒前被動(dòng)側(cè)均形成楔體破壞的雙面破壞

5、機(jī)制。將改進(jìn)極限分析上限解法所得到的水平極限承載力及旋轉(zhuǎn)中心的深度與有限元分析、極限平衡計(jì)算方法所得到的相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。根據(jù)對(duì)比結(jié)果的一致性，驗(yàn)證了本文所建議的改進(jìn)極限分析上限解法的合理性。進(jìn)而通過變動(dòng)參數(shù)對(duì)比分析，探討了K0固結(jié)條件下軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度的各向異性、荷載作用點(diǎn)高度及界面摩擦折減系數(shù)δ等對(duì)于軟基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)承載力的影響，計(jì)算結(jié)果表明：在給定的土性參數(shù)等條件下，大圓筒結(jié)構(gòu)歸一化承載力隨著長(zhǎng)徑比L/D的增加而增加。

6、在軟土地基的三軸拉伸抗剪強(qiáng)度較低的情況下，不考慮土的抗剪強(qiáng)度的各向異性效應(yīng)時(shí)計(jì)算所得到的承載力可能偏高，這與有限元分析所得到的規(guī)律是一致的。在給定的土性參數(shù)及長(zhǎng)徑比參數(shù)等條件下，歸一化承載力隨著無量綱化荷載作用點(diǎn)高度Lp/D的增加而減小。同時(shí)，大圓筒結(jié)構(gòu)歸一化承載力隨著界面摩擦折減系數(shù)的增加而增加，而且雙面破壞模式下這利增加趨勢(shì)比單而破壞模式更為明顯，在δ=0.65時(shí)計(jì)算所得到的承載力與不考慮摩擦折減即界面完全粗糙δ=1情況相比，承載力

7、的降低少于10﹪。 3.考慮到波浪循環(huán)荷載可能導(dǎo)致的軟黏土海床或者地基發(fā)生強(qiáng)度弱化與剛度退化的循環(huán)軟化效應(yīng)，基于Andersen等所提出的軟黏土循環(huán)強(qiáng)度概念，建議了非線性彈塑性一循環(huán)強(qiáng)度模型，并在大型通用有限元軟件ABAQUS平臺(tái)上通過二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)等大型海洋結(jié)構(gòu)物循環(huán)承載力的擬靜力計(jì)算模塊。通過計(jì)算表明：深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)地基在循環(huán)破壞時(shí)的失穩(wěn)形態(tài)及地基中等效塑性應(yīng)變的分布與單調(diào)荷載作用下的極限破壞狀

8、態(tài)時(shí)存在一定的差異，在循環(huán)失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心明顯偏離了筒體中軸線，而向筒體受荷側(cè)靠近，同時(shí)筒底部的滑動(dòng)面不再是以大圓筒結(jié)構(gòu)傾覆失穩(wěn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心為球心的球面，而可能是個(gè)更為復(fù)雜的空間曲面。通過變動(dòng)參數(shù)對(duì)比分析的初步研究表明，大圓筒結(jié)構(gòu)的循環(huán)承載力與埋深、荷載作用點(diǎn)高度及荷載循環(huán)破壞次數(shù)等諸多因素密切相關(guān)，而在埋深及荷載循環(huán)破壞次數(shù)等因素一定的情況下，不同的荷載作用點(diǎn)高度時(shí)所得到的循環(huán)承載力與相應(yīng)的極限承載力相比的降低程

9、度基本上一致。 4.利用大型通用有限元分析軟件ABAQUS的用戶子程序(UMAT)接口，通過二次開發(fā)，采用比較合理的隱式積分算法將Carter等提出的改進(jìn)劍橋動(dòng)力本構(gòu)模型嵌入ABAQUS/standard模塊。 對(duì)于Carter等所建議的改進(jìn)劍橋動(dòng)力本構(gòu)模型探討了相應(yīng)的隱式積分算法，并在大型通用有限元軟件ABAQUS平臺(tái)上進(jìn)行了數(shù)值實(shí)施。利用本文推導(dǎo)的隱式積分算法及改進(jìn)劍橋動(dòng)力本構(gòu)模型，分別對(duì)于單調(diào)加載條件下和循環(huán)加載條

10、件下的土工三軸試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)于單調(diào)加載條件下的土工試驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果與ABAQUS自身含有的修正劍橋本構(gòu)模型及Sheng等所建議的伴隨誤差控制的子增量步顯式積分算法所得到的結(jié)果比較吻合。對(duì)于算例中的正常固結(jié)土和超固結(jié)土的不排水三軸試驗(yàn)所得到的不排水抗剪強(qiáng)度數(shù)值解與理論解非常接近。對(duì)于循環(huán)加載條件下的土工試驗(yàn)，計(jì)算所得到的有效平均應(yīng)力與加載次數(shù)之間的關(guān)系高于土工試驗(yàn)所得到的實(shí)測(cè)曲線，但是兩者呈現(xiàn)出比較一致的變化趨勢(shì)，而且兩者差異也在工

11、程上土工動(dòng)力計(jì)算所允許的范圍之內(nèi)。由此表明，本文針對(duì)改進(jìn)劍橋動(dòng)力本構(gòu)模型所開發(fā)的隱式積分算法基本上是合理而有效的。 5.采用本文對(duì)于改進(jìn)劍橋動(dòng)力本構(gòu)模型所開發(fā)的數(shù)值積分算法，在ABAQUS平臺(tái)上建立了軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)在波浪循環(huán)荷載作用下的彈塑性有效應(yīng)力分析模塊。基于忽略土骨架和孔隙水的慣性效應(yīng)的廣義Biot固結(jié)理論的簡(jiǎn)化形式，針對(duì)波浪荷載作用下軟土地基上深埋式大圓筒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析建立了比較嚴(yán)密的有效應(yīng)力計(jì)算力學(xué)模型，