基于Prandtl破坏模式的吸力式沉箱基础抗拔承载力极限分析上限解

为了研究吸力式沉箱基础竖向抗拔荷载作用下极限承载力上限解,引入"反向地基承载力",基于Prandtl破坏机构,选择合适的地基破坏模式及机动位移速度场,使原Prandtl机构中主动区变为被动区,对数螺旋线反向,并考虑土体自重、黏聚力及土压力因素,推导吸力式沉箱基础抗拔荷载作用下极限承载力上限解。分析上限解与黏聚力、内摩擦角、土压力以及摩擦因数关系,采用Matlab软件编程计算出上限解,并与有关试验值和上限解进行对比分析。研究结果表明:反向Prandtl破坏机构符合实际受力情况。文中上限解与试验值相对误差基本上控制在40%以下,最大相对误差为44%,最小相对误差为3%,接近试验值,证明其破坏模式的合理性及方法的适用性。     

循环加载条件下吸力式沉箱基础极限承载力特性分析

循环加载模式下吸力式沉箱基础的拉拔承载性能目前尚缺乏合理的分析与计算方法.应用Andersen等对重力式基础及地基所建议的分析方法,将软土的循环强度与Mises屈服准则相结合,针对吸力式沉箱基础,采用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行了三维拟静力有限元分析,确定了循环加载模式下吸力式沉箱的循环承载力及其破坏包络面,并与单调加载作用下沉箱基础的极限承载力及其破坏包络面进行了对比.结果表明,与单调加载情况相比,循环加载作用下吸力式沉箱基础的拉拔承载能力显著降低,而沉箱长径比对基础循环承载力降低效应的影响不大.     

复合加载模式下条形浅基础地基承载力上限分析

针对竖向荷载、水平荷载与力矩荷载共同作用下的条形基础,在塑性极限分析理论与Meyerhof等效宽度概念的基础上,构造可变的运动许可速度场,推导了复合加载模式下条形基础承载力的上限解.为了证实上限解的合理性与适用性,采用了通用有限元软件ABAQUS进行了数值计算.结果表明,推导的条形基础上限解能够很好地求解复合加载模式下地基的极限承载力.     

吸力式沉箱基础抗拔破坏标准研究

为了得到吸力式沉箱基础的抗拔破坏标准,针对长径比为4的吸力式沉箱基础开展了倾斜抗拔承载力模型试验。试验中考虑了不同荷载作用角度的影响。试验结果表明:荷载作用角度较小时,吸力式沉箱基础的荷载-位移曲线可分为位移平缓段和突变段,且有明显的拐点。依据荷载-位移曲线上的拐点所对应的位移,提出了一个确定吸力式沉箱基础破坏位移的公式。对于荷载作用角度为90°的情况,吸力式沉箱基础被拔出前发生的位移非常小,无法用位移来判断吸力式沉箱基础是否发生破坏,建议从控制外荷载大小的角度预防其破坏的发生。     

基于模型试验的上拔过程中裙式吸力基础内部负压及荷载——位移变化

基于1-g模型试验,研究裙式吸力基础在饱和细海砂中的抗拔承载特性,及不同加载速率、裙结构尺寸对基础抗拔承载力和主桶以及裙内负压变化的影响。试验结果表明:裙式吸力基础底部的上拔破坏形式与传统吸力基础顶部密封时基础的底部破坏形式相同,也为局部拉伸破坏。增大裙高和裙宽均可增大裙式吸力基础的极限抗拔承载力,且增大裙宽对裙式吸力基础的极限抗拔承载力增大比较明显。裙式吸力基础上拔承载力,使得主桶被动吸力以及裙内被动吸力同时达到极限值。裙式吸力基础的主桶被动吸力不随裙高的增大而增大,但随着加载速率的增大,裙式吸力基础主桶被动吸力和裙内被动吸力均明显增大。     

黏土地基中斜向荷载作用下吸力式沉箱的承载性能试验研究

为了研究黏土地基中斜向荷载作用下吸力式沉箱的承载性能,开展了一系列室内模型试验,分析了斜向荷载作用下吸力式沉箱基础在不同角度和不同加载位置的极限承载力及荷载-位移变化规律.通过ABAQUS建立了吸力式沉箱基础的斜向受荷三维数值模型,分别采用长径比为3和6的模型探究了加载位置对基础极限承载力的影响,进而确定了沉箱基础最优系泊点的位置,并基于极限包络线方法提出了斜向荷载作用下吸力式沉箱基础极限承载力的计算方法.结果表明：当荷载方向与水平向的夹角小于30°时,加载位置深度对基础极限承载力的影响较大;当荷载方向与水平向的夹角大于45°时,加载位置深度对基础极限承载力的影响较小.在基础承载力受加载位置影响较大的斜向荷载角度范围内,随着荷载角度增加,其对应的最优系泊点位置有所上移.     

设置加筋垫层条形基础极限承载力分析

依据加筋地基理论和现有试验的结果,提出设置加筋垫层条形基础的地基破坏模式,运用极限分析的上限原理推导设置加筋垫层条形基础的地基极限承载力的上限解.结合工程实例,得出与目前已有计算方法基本一致的计算结果,验证了该上限解的合理性.     

砂土中吸力式单桩极限抗斜拉承载力计算

为研究饱和砂土中吸力式单桩的极限抗斜拉承载力,对3种不同长径比和3种荷载作用角度下的吸力式单桩进行了室内大比尺模型试验,分析得到了不同参数下的桩基础的极限抗斜拉承载力。通过极限平衡法对吸力式单桩的极限竖向抗拔承载力和极限水平向承载力进行了分析研究,并基于破坏包络线的概念,对吸力式单桩极限抗斜拉承载力的试验结果进行回归分析和拟合,得到了竖向承载力和水平承载力之间的归一化关系及经验公式,进而推导出吸力式单桩基础的极限抗斜拉承载力。     

基于Meyerhof理论的临坡地基极限承载力简化分析方法

针对现有临坡地基承载力研究方法中采用竖向均布作用力代替基础埋深影响而不能充分考虑埋深内土体抗剪强度贡献的问题,引入Meyerhof理论.首先,基于临坡条形基础地基的工程特点,通过研究其破坏机理,构建出考虑临坡条形基础埋深内土体抗剪强度作用的单侧滑移破坏模式.然后,在此破坏模式研究基础上,基于Meyerhof理论求解基础埋深内土体抗剪强度影响作用的思路,通过引入刚体极限平衡分析方法,导出了能够反映临坡条形基础埋深内土体抗剪强度作用、基础距坡顶距离、基础两侧埋置深度不同以及基础两侧侧壁与土体摩擦作用影响的临坡条形基础地基极限承载力简化计算公式,较已有研究成果计算方法更简便,更具工程适用性.最后,通过工程实例计算分析并与现有研究分析方法对比分析,表明了本研究方法的可行性与合理性.     

确定循环荷载作用下吸力锚承载力的塑性上限法

塑性上限分析法是计算静荷载作用下吸力锚极限承载力的一种方法,依据塑性上限分析原理,为了计算静荷载与循环荷载共同作用下吸力锚的承载力,建议了一种基于塑性上限分析理论计算静荷载和循环荷载共同作用下软黏土中张紧式吸力锚循环承载力的方法.该方法首先假定在静荷载作用下吸力锚的破坏模式,并依据静力平衡原理计算静荷载在土体中产生的平均剪应力,然后依据循环强度与土体平均剪应力和循环破坏次数的相互关系确定相应的循环强度,将循环荷载对土体的作用转化成土体强度的变化,再假定吸力锚在循环荷载下的破坏模式与静荷载作用下其破坏模式一致,并依照塑性上限分析原理和土体的循环强度计算强度变化后的承载力.为了验证该方法的合理性,进行了1g条件下的吸力锚模型试验,并应用该方法对模型试验结果进行了预测,预测结果与试验结果吻合较好.     

临坡矩形浅基础地基极限承载力的上限分析

为深入探讨临坡矩形浅基础地基的破坏机理,提出一种三维双侧破坏模式,该破坏模式充分考虑了基础内侧土体抗剪强度对临坡地基承载力的影响,且能较好反映基础两侧滑块形状和尺寸的非对称性.同时对该多滑块组合破坏机构提出一种简化构造方法,该方法既能有效反映矩形基础地基的三维端部效应,又能避免复杂的坐标求解和曲面积分运算,更便于工程实际的应用.然后,在该破坏模式基础上引入极限分析上限理论,建立出一种新的临坡矩形基础地基承载力确定方法,并运用SQP优化算法实现极限承载力上限求解.最后,结合工程实例,与现有其他理论研究方法和ABQUS有限元分析方法计算结果进行对比分析,验证了本文方法的可行性和合理性.     

砂土中带裙板防沉板基础水平向承载力的上限解

作为深海油气工程中水下生产系统的重要基础形式,防沉板具有埋深浅、水下施工方便等优点.为了满足基础抗滑移的要求,可在防沉板底部设置裙板,裙板的存在增加了防沉板水平向承载力计算的难度.本文将带裙板防沉板基础简化为带裙板条形基础进行研究,通过开展砂土地基上防沉板基础水平向地基承载力模型试验,研究了防沉板基础在水平荷载下的承载规律.提出了一个能够反映裙板与基础内部土体共同作用的经验参数——水平向土体破坏率η,建立了适用于防沉板基础的水平向极限承载力分析的破坏机动场.通过极限分析上限定理推导了砂土地基上带裙板条形基础的水平向地基承载力的上限解,确定了η与H/B的拟合关系.     

倾斜荷载作用下裙式吸力基础承载特性研究

开展数值模拟,研究了裙式吸力基础在倾斜荷载作用下承载特性,讨论了不同加载点位置以及加载角度对基础承载特性的影响。研究表明,裙式吸力基础抗拔承载力随加载点位置下移,呈现出先增大后减小的趋势;当加载点位于基础顶面以下2/3倍基础高度时,基础抗拔承载力最大。载点位置固定时,基础抗拔承载力随着加载角度的增大逐渐降低;当加载方向为垂直时,基础极限承载力最小。此外,裙式吸力基础转动点的位置随加载角度增加逐渐下移下降。     

非均匀地基与均匀地基承载力上限解之间的转化关系

利用上限法研究条形荷载作用下非均匀地基极限承载力问题.基于平动失效机理,运用极限分析方法,得到土体粘聚力随深度线性变化条件下非均匀地基极限承载力上限解的解析解,计算分析条形均布荷载作用下非均匀地基极限承载力.通过与均匀地基承载力的经典解答进行比较,分析非均匀地基与均匀地基极限荷载之间的相似性,进而得到承载力系数之间的相似转换关系,给出相应转换系数的解析表达式,该系数集中反映了地基的非均匀性.借助均匀地基经典上限解,可将非均匀地基极限承载力的问题求解转化为相似转化系数的计算问题,从而为求解非均匀地基极限承载力的求解提供十分便捷有效的途径,便于工程应用.     

基于滑移线场理论的临坡地基承载力简化分析方法

在现有相关研究基础上,探讨了无重土平地基Hill破坏模型及其承载力滑移线解和斜坡地基Hill破坏模型及其承载力滑移线解,提出临坡条形基础地基破坏模式应是介于平地基破坏模式和斜坡地基破坏模式两种临界状态之间的一种连续变化模式,在相同边界条件下,改变坡顶距的临坡地基极限承载力滑移线解答则是介于这两种地基状态间的一个连续函数解,并据此构建出临坡条形基础无重土地基的双侧不对称Hill滑动破坏模式.在此研究基础上,通过引入宽度比系数将基底分为两个均布受压区,采用"等代自由面"简化边坡面上滑块的应力影响作用,使临坡一侧受压区极限压力可直接用已有斜坡地基滑移线解表示.通过分析宽度比系数、坡顶距和破坏模式之间的关系,设定了宽度比系数函数,建立出基于滑移线场理论的临坡地基极限承载力确定方法.通过与现有研究成果的对比分析,表明了本文研究方法的可行性与合理性.     

非均质性和各向异性黏土地基承载力上限分析

黏土所表现出明显的各向异性和非均匀性对地基承载力具有较大的影响.基于Prandtl型的地基破坏模式,采用离散法构建了地基破坏时的速度场模型,并以极限分析上限法为基础,推导出综合考虑非均质和各向异性的黏土条形地基承载力方程.在此基础上,采用fortran语言编制了离散法计算程序,得到了相应条件下条形基础地基承载力.通过算例分析表明,本文计算结果与其他方法的计算值是基本一致的,与试验结果也能得到较好的吻合.参数敏感性分析表明,地基承载力系数分别与土体各向异性系数和非均质性系数均近似呈线性的变化关系.     

临坡抗拔条形锚板破坏模式及 极限承载力上限分析与试验验证

考虑土体材料的非线性特征,用非线性强度准则及其关联流动法则构造临坡条形锚板上拔时的机动许可速度场,并基于上限定理导出其曲线型破坏模式及抗拔承载力上限解.此后,借助DIC图像关联技术开展了一系列临近砂土边坡条形锚板的室内抗拔模型试验,得到了不同边坡角度及不同临坡比情况下条形锚板的抗拔承载力及上方土体破裂面发展模式.对比结果表明,临坡条形锚板的抗拔承载力与本文上限解计算结果误差在13％以内,土体破裂面模式也基本吻合,从而验证了本文理论解的合理性.最后,对抗拔条形锚板的临界临坡比进行了探讨,分析结果表明临界临坡比随埋置深度和初始黏聚力的增大而增大,随单轴抗拉强度的增大而减小.     

风电塔架空心锥体基础承载机理数值分析

通过有限元数值模拟方法,研究了在外荷载分量作用下风电塔架空心锥体基础的承载特性和破坏机理,对比分析了不同径高比下基础的竖向、水平和弯矩极限承载力,并与传统重力式基础承载力进行比较。结果表明:与传统的风机重力式基础相比,空心锥体基础的竖向极限承载力、水平极限承载力及弯矩极限承载力分别提高472.4%、34.9%及193.3%;极限状态时空心锥体基础地基的破坏机理也与传统重力式基础存在着不同;随着径高比的增大,空心锥体基础竖向极限承载力与水平极限承载力呈逐渐增大的趋势,而弯矩极限承载力则表现出了先增大后减小的趋势。     

黏性土中倾斜荷载下抗拔桩的模型试验研究

为研究黏性土地基中抗拔桩在不同倾斜荷载情况下的承载机理,开展了抗拔桩室内模型承载试验.对比试验结果表明,抗拔桩承受倾斜荷载时,与竖向承载不同,呈现靠倾斜荷载一侧的桩周土体始终受压,而另一侧土体始终受拉的现象.达到极限时,仅靠荷载一侧桩周一定深度土体破坏,破坏区域在地表大致呈现扇形分布,其范围随荷载倾角增大而增大.此外,极限抗拔承载力随着倾角的增大而增大.在此基础上,依据破坏模式建立了倾斜荷载下抗拔桩的计算模型及桩周土体的破裂面方程,并基于单元体极限平衡分析得出了抗拔桩极限承载力计算公式.与试验结果对比表明,该方法计算值与实测值吻合较好.     

临坡双层粘土地基极限承载力的上限分析

在现有研究基础上,结合临坡条形基础双层粘土地基临近边坡的非对称性特征和层状地基特征,构建出临坡条形基础双层粘土地基的多滑块组合单侧滑移破坏模式;根据速度相容关系和速度三角形闭合条件,确定出多滑块离散模式相对应的机动允许速度场;引入上限极限分析理论,导出临坡条形基础双层粘土地基极限承载力计算模型,在此模型上采用序列二次规划算法进行优化求解,建立了临坡条形基础双层粘土地基极限承载力确定方法.利用Matlab的符号运算功能和优化函数编程计算进行实例分析,并与有限元数值计算结果进行对比分析,表明了本文研究方法的可行性与合理性.