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复合加载条件下海洋地基承载力特性数值分析方法研究

赵少飞  
【摘要】:在海岸及近海工程中,海洋建筑物不仅受到巨大自重及其设备所引起的垂直荷载的长期作用,而且一般往往还会遭受波浪与地震等所引起的变值荷载的循环或瞬时作用。因此建筑物基础及地基往往同时受到水平力、竖向力及力矩等荷载分量的共同作用。同时包含水平荷载(H)、竖向荷载(V)和力矩(M)三个分量的加载方式称为复合加载模式。进一步地,这些荷载的大小和作用方向往往随时间不规则地周期性或循环变化,这种加载模式称为变值复合加载模式。本文针对复合加载模式作用下地基的极限承载力问题和变值复合加载模式作用下地基的安定性问题,对数值分析方法与计算模型进行了深入的探索,并通过具体的数值计算与分析探讨了地基的破坏模式及其承载力性能。主要研究工作包括: 1.探讨了土工极限平衡问题数值模拟中几类低阶单元的基本性能,计算表明4节点四边形单元具有较好的数值稳定性。在基于强度折减弹塑性有限元数值方法的边坡稳定性分析中,通过数值计算确定坡顶处的无量纲最大位移与强度折减系数之间的依赖关系,并由此根据该曲线上位移陡增段起点所对应的强度折减系数确定土坡的整体稳定安全系数,采用这一评判准则能够避免以往方法中关于破坏状态的人为不确定性。 2.利用快速Lagrange有限差分算法,探讨了强度随深度线性增长的非均质粘土地基上条形基础和圆形基础承载力及地基破坏模式。结果表明:随着地基不均匀系数的增大,地基的破坏区逐渐集中在基底附近,传统的非均质地基承载力计算公式一般可能显著地高估了地基承载力。 3.基于推广的空间准滑动面(SMP:Spartial Mobilization Plane)准则,建立了平面应变条件下和轴对称三轴压缩条件下土的强度参数之间的相互关系。据此利用条形基础和圆形基础地基极限承载力的滑移线场解,分析了中主应力及三向应力状态对地基承载力的影响,并对Terzaghi承载力公式中的圆形基础形状修正系数进行了评价。计算结果表明:Terzaghi对圆形基础所建议的形状修正系数经验值在一般情况下是合适的,但当基底光滑时,与地基自重所对应的修正系数ζ_(γS)=0.6可能偏于危险,此时建议采用ζ_(γS)=0.4可能更合适。 4.为了比较准确而高效地确定复合加载模式下地基的承载力性能,对目前常用的搜寻复合加载模式作用下地基破坏包络面的Swipe试验方法进行了改进,提出了改进的Swipe试验搜寻方法。并与有限元数值计算相结合,在大型通用有限元分析软件ABAQUS的计算平台上进行了二次开发,实现了改进的Swipe试验加载过程的数值


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