基于HSS模型海上风电桶形基础水平循环承载特性对比研究

采用土体本构模型对黏土中的桶形基础进行了有限元模拟,以研究桶形基础的水平循环承载特性。利用有限元方法模拟了在不同单调组合荷载作用下黏土中的桶形基础离心机试验,与试验结果对比验证了使用小应变硬化土(HSS)本构模型的适用性。在此基础上,基于HSS模型和硬化土(HS)模型对比研究了不同循环荷载和小应变模量对桶形基础累积转角、旋转中心和桶-土相对刚度的影响。结果表明,黏土中桶形基础的累积转角随着循环次数和水平荷载的增加而增加,然而每个循环中累积转角的增加逐渐减小。另外,提出了Tb和ζb之间的拟合关系式预测黏土中桶形基础的累积旋转。无论处于疲劳极限状态(ζb=0.3)还是正常使用极限状态(ζb=0.5),旋转中心类型都是从深中心变为浅中心。桶-土相对刚度随循环次数的增加而减小,并且循环荷载越大刚度衰减越大。另外,小应变模量对基础累积转角和桶-土相对刚度有较大影响而对旋转中心无显著影响。与已有的研究结果对比发现,HSS模型更加适用于精细化设计。

海上桶基平台桶形基础渗流场的模型试验研究

海上桶形基础平台是一种新型平台,为研究其负压沉贯机理,了解沉贯过程中渗流场的基本特点,我们在室内进行了桶形基础渗流场模型试验。得到了渗流场的变化规律,验证了理论分析的结果,并得到一些有益的结论。

桶形基础单桶水平承载力的试验研究

对９０ 年代在挪威产生的一种新型基础———桶形基础在软土地区的水平承载力进行了模型试验研究，根据测得的桶体两侧的土体抗力变化情况，分析了桶体在水平荷载作用下的变位以及与土的相互作用，提出了计算桶形基础单桶水平承载力的方法。

海上风电机组吸力式桶形基础承载力分析与设计

吸力式桶形基础由于施工方便的优势将成为海上风电机组的一种重要基础型式。针对海上风电机组承受巨大倾覆弯矩荷载的受荷特性,基于单桶基础模型试验获得的变形模式和桶-土相互作用力,提出了单桶基础基于变形控制的倾覆弯矩承载力分析方法,突破了现有基于极限状态的承载力分析方法;基于多桶基础模型试验及相应的排水状况分析,提出了多桶基础倾覆弯矩承载力分析方法。从而为海上风机吸力式单桶基础和多桶基础承载力分析提供了有效方法。桶体高宽比和直径及单桶直径和桶间距分别决定了风机单桶和多桶基础的倾覆弯矩承载力。在一次典型风暴潮下,粉土地基中风机多桶基础桶内的负压来不及消散,其承载力可按不排水情况进行分析,此时桶内负压的存在将大幅提高多桶基础的整体抗倾覆性能。最后将所提出的承载力分析方法应用于某典型海上风机的基础设计中,供类似工程借鉴参考。

粉土中吸力式桶形基础沉贯及抗拔特性试验研究

吸力式桶形基础的负压沉贯控制和抗拔承载力确定是海洋钻井平台和海上风电机组多桶基础以及深海吸力锚基础设计和施工中的关键问题。通过室内大比例模型试验研究了吸力式桶形基础在饱和粉土中的负压沉贯及抗拔特性。负压沉贯试验结果表明负压并不能明显减小吸力式桶形基础在粉土中的沉贯阻力,基于CPT试验结果可较为准确地预估沉贯施工所需负压,从而确保沉贯的顺利实施和防止沉贯过程中地基发生管涌破坏。不同加载速率下的上拔试验结果表明存在一临界加载速率,当实际加载速率超过该临界值后,加载速率对吸力式桶形基础的抗拔特性影响较小。结合桶体及桶外土体的变形,提出了粉土地基中不同受力状况下吸力式桶形基础的抗拔承载力计算方法。

桶形基础发展概况

介绍了一种目前应用于近海工程建筑物的新型基础──桶形基础以及它的由来和发展，阐述了桶形基础在土中的工作原理，总结了目前桶形基础在试验、理论研究和设计方面的现状，同时还介绍了桶形基础的施工方法，指出了桶形基础的应用前景。

负压桶形基础地基水平承载力研究

通过模型试验和有限元计算 ,分析了单桶基础的地基极限水平承载力 ,基础主动区与被动区的土压力分布 ;建议了计算单桶基础水平极限承载力的关系式。进一步 ,分析了双桶基础的地基水平承载力 。

桶形基础液压下沉过程的耦合欧拉-拉格朗日有限元法分析

由于结构物贯入时网格变形过大而产生扭曲畸变等问题,常会造成岩土工程下沉贯入领域的数值分析收敛困难甚至计算结果失真。采用合适的数值方法分析此类问题颇具挑战性。传统的有限元模拟方法往往会出现收敛困难、作出不合理的假设以及需要依赖用户的专业网格重划分和插值程序等问题。耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)分析方法结合了拉格朗日网格与欧拉网格的优点,可以有效地解决有关大变形和材料破坏等诸多问题。通过位移控制法和力控制法两种下沉方式,进行桶形基础室内液压下沉模型试验,得出不同强度的黏土中桶形基础下沉阻力和下沉深度的关系及土塞高度。应用CEL有限元法进行模拟,计算结果与试验结果较为符合。采用的CEL有限元模拟方法不仅可对桶形基础自重下沉和液压下沉进行预测,也可为其他海洋基础结构的贯入模拟提供有益参考。

滩海桶形基础破坏机制及极限承载力分析研究

针对饱和软黏土地基上桶形基础结构,基于弹塑性极限分析中的上限法,建立了一种竖向荷载作用下桶形基础的极限分析模型。采用有限元数值分析解验证了所提出极限分析模型的可行性和有效性,进而,据此进行了一系列变动参数比较计算,以此对大量的计算结果进行了系统的分析,所得到的数值计算结果与分析结论为工程设计提供参考依据。

桶形基础采油平台三维有限元稳定性计算分析

采用三维有限元计算方法对CB20B桶形基础海上采油平台进行了稳定性计算分析。平台工作期间在外部荷载如风力、波浪、冰力、海流等作用下,其抗倾、抗滑稳定性不仅与平台的整体结构有关,而且和海底土体的力学特性以及结构与土体的相互作用密切相关。分析结果表明CB20B桶形基础平台在设计条件下运行是较为稳定的。

水平载荷作用下土体与桶形基础的相互作用

本文从理论上分析了横向载荷作用下土体与桶形基础的相互作用。根据土体的简化弹簧模型,建立了单桶和四桶结构在横向载荷作用下力系的平衡方程,提出了估算水平载荷作用下桶顶水平位移的方法,并将桶顶位移的估算结果同三维有限元方法的数值计算结果进行了比较,发现两者相当一致。文中还对胜利油田CB20B桶形平台在几种不同工况条件下的地基稳定性进行了评价。

倾斜荷载作用下桶形基础承载力特性研究

针对吸力式桶形基础结构,借助大型通用有限元软件ABAQUS平台,建立了均质软黏土地基上倾斜荷载作用的三维弹塑性有限元计算模型。通过系统地计算分析,得到了单个倾斜荷载分量作用下桶形基础的承载力特性及其破坏机制。进一步研究了水平倾斜荷载与竖向倾斜荷载共同作用下的桶形基础承载性能,得到了该倾斜荷载加载方式作用下桶形基础在V-H平面内的破坏包络面,依此建立了倾斜荷载与偏心距e之间的三维破坏包络曲面。计算结果表明,偏心距e对竖向倾斜承载力的影响相对水平倾斜承载力较大;桶形基础承载性能随着偏心距e的增大而减小。

复合加载模式下桶形基础破坏包络面特性研究(英文)

桶形基础结构是一种适宜于滩海软黏土地基上的新型海洋基础形式。研究复合加载模式下桶形基础的承载力特性,并进而依此评价海洋平台基础及地基的稳定性是桶形基础设计与施工中的关键问题。针对软黏土地基上桶形基础结构,利用大型通用有限元分析软件ABAQUS,采用基于Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性本构模型,对复合加载模式下桶形基础的承载特性进行了三维弹塑性数值分析。在V-H、V-M、V-M-H空间内建立了复合加载模式下桶形基础极限承载力破坏包络图,推导了破坏包络面的经验计算公式,由此可根据实际的复合加载状态与数值计算所得的破坏包络曲面之间的相对关系,评判实际荷载作用下桶形基础的工作状态,为工程设计提供参考依据。

单桶负压下沉过程中土体与桶形基础的相互作用

从理论上分析了单桶负压下沉过程中土体与桶形基础的相互作用。建立了桶在下沉过程中力传递的微分方程式,求得了桶在自重下沉时所能达到的最大深度与桶体自重、所受垂直载荷、桶体几何要素、土体的力学参数以及桶-土之间的摩擦强度之间的关系。考虑了负压下沉过程中渗流的影响,确立了桶内土柱顶部所需压力与下沉深度之间的对应关系。

复合加载模式下桶形基础破坏包络面弹塑性有限元数值分析

作为新型的海洋基础型式,建立复合加载模式下地基基础的破坏包络面,并依此评价海洋平台基础及地基的稳定性是地基基础设计与施工中的关键问题。但目前对于吸力式桶形基础的破坏包络面形状及其数学形式尚缺乏合理的计算模式和分析方法。基于大型有限元分析软件ABAQUS,采用Swipe试验加载方法,通过比较系统的数值计算与分析,考察了不同荷载组合加载模式下桶形基础破坏包络面形状,并给出了其数学表达式,依次评判实际荷载作用下桶形基础的工作状态,为工程设计提供参考依据。

软黏土中桶形基础的上限法极限分析模型及其计算

桶形基础作为近海工程一种新型结构形式,其结构与地基土体间复杂的相互作用使得此类结构的承载机理与破坏形态一直未有明确的界定,根据饱和软黏土中桶形基础的工作特点确立了其在侧向荷载作用下的一种新的三维组合破坏模式,基于塑性极限分析理论的上限法建立了受侧向荷载作用的、饱和软黏土中桶形基础的极限分析模型,运用非线性数学规划的Nelder-Mead改进单纯形法,并结合遗传算法对相关参数进行寻优,求得上述破坏机制的最危险模式及侧向荷载的最小上限解．根据桶形基础在不同插入深度时的承载机理及受力机制,将桶形基础结构划分为3种受力模式,即相对埋深小于0．52时的浅插式、相对埋深大于1．2时的深插式与介于两者之间的过渡模式,为结构整体稳定性分析计算提供了理论依据．此外,模型试验及工程实例的分析进一步证明了上述分析方法的可行性和有效性．

砂土中桶形基础吸力值的设定范围

吸力桶形基础沉贯与所施加的吸力密切相关,吸力值设置太小会导致吸力基础沉贯速度过慢,施工效益降低;吸力值设置太大将产生较高的桶内土塞,吸力基础下沉不到预定位置,从而使其承载力达不到设计要求,或引起砂土地基产生管涌破坏,因此必须确定合理的吸力值以满足工程建设需要。通过吸力桶形基础的静力平衡条件获得了沉贯所需最小吸力值;根据桶壁底部土体破坏特性,并依据Hencky应力方程建立了桶壁内、外侧土体之间的有效应力表达式,求解了土塞加速上升时的临界吸力值;基于吸力桶形基础内部砂土的管涌破坏机制确定了最大吸力值,结合最大和最小吸力的理论公式得到了吸力桶形基础的最大沉贯深度。最后,采用实例数据验证了所提出的最小、临界和最大吸力理论公式的合理性。

水平荷载作用下桶形基础性状的数值分析

通过三维有限元的数值分析方法 ,建立桶形基础三维有限元模型 ,并与试验结果比较 ,验证了三维有限元程序功能的可靠性。通过三维有限元的数值模拟 ,研究了在水平荷载作用下不同土体特性对桶体变位。

饱和软黏土地基中桶形基础水平承载力研究

相比于传统基础,桶形基础作为一种新型的浅海基础形式具有诸多明显的优点,但其使用历史相对较短,设计理论也还不够完善。基于此,利用三维有限元方法和极限平衡方法对单桶形基础的水平承载力进行了数值计算和理论推导,并基于分析结果,给出了适用于估算饱和软黏土地基中单桶形基础水平承载力的简便公式,为指导工程设计提供一定的参考意见。

饱和砂土地基中吸力式桶形基础水平承载力研究

吸力式桶形基础不仅承受着上部结构及自身所引起的竖向荷载,还受到波浪、海流、海风等引起的水平荷载作用,在高纬度海域冬季还可能受到海冰的长时间挤压作用。利用三维有限元模型,研究饱和排水砂土条件下吸力式桶形基础的水平极限承载力和失稳模式,分析缓慢施加水平荷载时吸力式桶形基础失稳破坏机制,探讨不同长径比的桶形基础承载性能,研究桶体内外壁土压力分布情况和转动轴位置,并根据极限平衡解法,推导出饱和砂土地基桶形基础水平极限承载力计算公式。研究结果可为砂土地基条件下的吸力式桶形基础的设计提供参考。