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软土地基上深埋式大圆筒结构稳定性研究

范庆来  
【摘要】: 随着海洋资源与海洋空间的日益开发、利用及港口、航道工程的迅速发展,工程上不可避免地遇到了大量的深厚软土等不良地基。在这种不良地基上,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,因此导致高昂的工程造价,不再成为工程设计的优选方案。而深埋式大圆筒结构是我国近年来引入并推广应用的一种新型的港口、海洋结构形式,比较适宜于软土地基和恶劣的海洋环境,而且具有造价低、工期短等优势。随着我国的深水港口与航道治理工程及海洋事业的快速发展,特别是在深厚软土地基上,此类结构将具有比较广阔的应用前景。然而,由于深埋式大圆筒结构在工作机理上既不同于传统的重力式结构,也不同于桩基结构,对于其特殊的受力条件、结构与地基之间复杂的相互作用机制、在静力与动力组合加载条件下失稳机理与破坏模式及承载力计算方法等方面,目前尚缺乏广泛认可的理论体系与计算方法,还处于半经验半理论的非常不成熟阶段,设计理论远远落后于工程实践,因此亟需开展深入而系统的理论分析与数值计算等方面的综合研究,发展和完善深厚软土地基上深埋式大圆筒结构的有关设计理论体系与计算方法。为此,本文围绕波浪循环荷载作用下软基上深埋式大圆筒结构的失稳模式与工作性能等方面进行了比较系统而深入的探索,论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软件ABAQUS平台上,建立了单调加载条件下软土地基上深埋式大圆筒结构的有限元计算模型。 采用先进的摩擦接触算法来模拟筒-土之间界面上的复杂力学行为,建立了考虑筒外界面与土体之间可能产生裂缝与不考虑筒外界面与土体之间的裂缝的两种有限元计算模型,同时考虑了筒内侧、筒底界面与临近土体之间的摩擦接触特性,克服了通常有限元分析中没有考虑筒外界面与土体之间可能产生裂缝或者没有考虑筒内侧界面与筒内土体界面上摩擦接触特性的缺点,较全面而合理地反映了结构与土体之间的相互作用机制。根据有限元分析,可以发现软土地基上深埋式大圆筒结构的失稳破坏机制为绕着泥面以下、筒底以上某点发生整体转动而倾覆破坏,这明显不同于传统的重力式结构或者桩基结构。根据破坏时筒土之间是否形成裂缝,将大圆筒结构失稳破坏机制分为单面破坏模式和双面破坏模式,在双面破坏模式中,筒前、筒后各有一个破坏楔体,而在单面破坏模式中,仅在筒前有一个被动破坏楔体。 进而采用基于Hill各向异性屈服准则的理想弹塑性本构模型,考察了软土地基不排水强度的各向异性对于深埋式大圆筒结构承载力的影响。通过变动参数研究表明:当软土地基的三轴拉伸抗剪强度较低时,不考虑土的强度的各向异性可能导致结构分析偏于不安全。在深埋式大圆筒结构的几何形状及软土地基强度分布给定的情况下,由单面破坏模式所得到的承载力一般比由双面破坏模式所得到的承载力有所降低。 通过二次开发,探讨了不排水强度及变形模量随着深度线性增长的非均质软土地基上深埋式大圆筒结构失稳模式,结果表明:对于非均质超固结土层,筒后外侧界面与土体之间比较容易形成裂缝,导致大圆筒结构承载力的降低,而对于正常固结土或者弱超固结土层,筒后外侧界面与土体之间一般不会形成裂缝,从而考虑裂缝与否对于承载力影响较小。 将有限元分析所得到的承载力及其土压力分布规律与已有的一些模型实验进行了定量或定性比较,由此验证了本文所建议的有限元模型及有限元计算结果的合理性。同时表明,根据有限元计算所得到的软基上深埋式大圆筒结构失稳破坏机制与模型试验比较一致。 2.在由有限元计算分析所得到的软土地基上深埋式大圆筒结构失稳模式的基础上,提出了大圆筒结构水平承载力的改进三维极限分析上限解法。 根据有限元分析所得到的软土地基上深埋式大圆筒结构失稳模式,在上限极限分析中对失稳破坏机制采用下述假定:大圆筒结构绕筒体内中轴线上某点发生刚体转动倾覆失稳,靠近泥面附近的浅层土体内形成潜在破坏楔体,而筒底部形成球形滑裂面,从而避免了Murff-Hamilton失稳机制中深层土体水平运动模式与整个体系旋转运动模式不协调的缺点。以此为基础,基于塑性极限分析原理,并考虑软土地基不排水抗剪强度的各向异性效应,建立了一种改进的三维极限分析上限解法。根据加载过程中筒后主动侧土体与筒体之间界面的脱离或黏结等两种不同的接触状态,将可能的破坏机制划分为仅在筒前被动侧形成楔体破坏的单面破坏机制与在筒后主动侧和筒前被动侧均形成楔体破坏的双面破坏机制。将改进极限分析上限解法所得到的水平极限承载力及旋转中心的深度与有限元分析、极限平衡计算方法所得到的相应结果进行了对比。根据对比结果的一致性,验证了本文所建议的改进极限分析上限解法的合理性。进而通过变动参数对比分析,探讨了K_0固结条件下软黏土不排水抗剪强度的各向异性、荷载作用点高度及界面摩擦折减系数δ等对于软基上深埋式大圆筒结构承载力的影响,计算结果表明:在给定的土性参数等条件下,大圆筒结构归一化承载力随着长径比L/D的增加而增加。在软土地基的三轴拉伸抗剪强度较低的情况下,不考虑土的抗剪强度的各向异性效应时计算所得到的承载力可能偏高,这与有限元分析所得到的规律是一致的。在给定的土性参数及长径比参数等条件下,归一化承载力随着无量纲化荷载作用点高度L_p/D的增加而减小。同时,大圆筒结构归一化承载力随着界面摩擦折减系数的增加而增加,而且双面破坏模式下这种增加趋势比单面破坏模式更为明显,在δ=0.65时计算所得到的承载力与不考虑摩擦折减即界面完全粗糙δ=1情况相比,承载力的降低少于10%。 3.考虑到波浪循环荷载可能导致的软黏土海床或者地基发生强度弱化与刚度退化的循环软化效应,基于Andersen等所提出的软黏土循环强度概念,建议了非线性弹塑性一循环强度模型,并在大型通用有限元软件ABAQUS平台上通过二次开发,实现了软土地基上深埋式大圆筒结构等大型海洋结构物循环承载力的拟静力计算模块。通过计算表明:深埋式大圆筒结构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单调荷载作用下的极限破坏状态时存在一定的差异,在循环失稳状态时,深埋式大圆筒结构的旋转中心明显偏离了筒体中轴线,而向筒体受荷侧靠近,同时筒底部的滑动面不再是以大圆筒结构倾覆失稳时的旋转中心为球心的球面,而可能是个更为复杂的空间曲面。通过变动参数对比分析的初步研究表明,大圆筒结构的循环承载力与埋深、荷载作用点高度及荷载循环破坏次数等诸多因素密切相关,而在埋深及荷载循环破坏次数等因素一定的情况下,不同的荷载作用点高度时所得到的循环承载力与相应的极限承载力相比的降低程度基本上一致。 4.利用大型通用有限元分析软件ABAQUS的用户子程序(UMAT)接口,通过二次开发,采用比较合理的隐式积分算法将Carter等提出的改进剑桥动力本构模型嵌入ABAQUS/standard模块。 对于Carter等所建议的改进剑桥动力本构模型探讨了相应的隐式积分算法,并在大型通用有限元软件ABAQUS平台上进行了数值实施。利用本文推导的隐式积分算法及改进剑桥动力本构模型,分别对于单调加载条件下和循环加载条件下的土工三轴试验进行了数值模拟。对于单调加载条件下的土工试验,计算结果与ABAQUS自身含有的修正剑桥本构模型及Sheng等所建议的伴随误差控制的子增量步显式积分算法所得到的结果比较吻合。对于算例中的正常固结土和超固结土的不排水三轴试验所得到的不排水抗剪强度数值解与理论解非常接近。对于循环加载条件下的土工试验,计算所得到的有效平均应力与加载次数之间的关系高于土工试验所得到的实测曲线,但是两者呈现出比较一致的变化趋势,而且两者差异也在工程上土工动力计算所允许的范围之内。由此表明,本文针对改进剑桥动力本构模型所开发的隐式积分算法基本上是合理而有效的。 5.采用本文对于改进剑桥动力本构模型所开发的数值积分算法,在ABAQUS平台上建立了软土地基上深埋式大圆筒结构在波浪循环荷载作用下的弹塑性有效应力分析模块。基于忽略土骨架和孔隙水的惯性效应的广义Biot固结理论的简化形式,针对波浪荷载作用下软土地基上深埋式大圆筒结构的稳定性分析建立了比较严密的有效应力计算力学模型,考察了波浪循环荷载作用下软土地基的强度弱化与超孔隙水压力累积效应对于结构循环承载力的影响。计算结果表明:当波高较大时,大圆筒结构与地基耦合系统的循环位移较大,而残余变形相对较小;而当波高较小时,大圆筒结构与地基耦合系统的残余位移相对较大。


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