Upper Bound Solution of the Resisting Moment Bearing Capacity of A Composite Bucket Shallow Foundation of An Offshore Wind Turbine in Sand

Bearing the large moment that is generated by the wind load that acts on the upper structure of offshore wind turbines is an important feature of their foundations that is different from other offshore structures.A composite bucket shallow foundation(CBSF)has been proposed by Tianjin University to address the soft geological conditions in the offshore regions of China for wind turbines.The CBSF is a new type of foundation and is effective against large moments.The soil deformation test of a CBSF and the numerical simulation study under the same working conditions are carried out to determine the failure mechanism of a CBSF under moment loading.The resisting soil compression rateηm is defined as a new empirical parameter that indicates the ability of the soil inside the bucket to resist moment loading.The upper limit of the resisting moment bearing capacity of the bucket foundation is derived through the upper bound theorem of classical plasticity theory based on the failure mechanism.The calculation method is validated by tests of bucket models with different height-diameter ratios in sand under moment loading.

PLASTIC LIMIT ANALYSIS OF DISCONTINUOUS LINING UNDERGROUND PRESSURE

Discontinuous lining is a special form of support in underground excavation. Based on the method of plastic limit analysis, it is found the upper and the lower bound solution of the pressure of circular discontinuous lining and discussed support parameter of discontinuous lining and its applicable conditions , which provides theoretical basis for the design and calculation of discontinuous lining.

Construction of improved rigid blocks failure mechanism for ultimate bearing capacity calculation based on slip-line field theory

Based on the slip-line field theory, a two-dimensional slip failure mechanism with mesh-like rigid block system was constructed to analyze the ultimate bearing capacity problems of rough foundation within the framework of the upper bound limit analysis theorem. In the velocity discontinuities in transition area, the velocity changes in radial and tangent directions are allowed. The objective functions of the stability problems of geotechnical structures are obtained by equating the work rate of external force to internal dissipation along the velocity discontinuities, and then the objective functions are transformed as an upper-bound mathematic optimization model. The upper bound solutions for the objective functions are obtained by use of the nonlinear sequential quadratic programming and interior point method. From the numerical results and comparative analysis, it can be seen that the method presented in this work gives better calculation results than existing upper bound methods and can be used to establish the more accurate plastic collapse load for the ultimate bearing capacity of rough foundation.

Critical Slope and Plasticity

Limit analysis based on upper bound theorem into slope stability is presented. A rotational failure mechanism (log spiral) passing through the toe in an inclined slope is assumed for getting the critical height. The proposed limit analysis, although on the kinematical admissible velocity field, always satisfies the equilibrium of forces acting on sliced rigid blocks. And the most critical slip surface can be searched by random technique. A new solution scheme is also developed for rapid searching critical slip surface. It is also applicable to a variety of slope models. The method is shown having a high accuracy compared with limit solution for simple slope.

基于多对数螺旋曲线破坏机构的富水软岩隧道开挖面支护应力分析

为了避免对胡克-布朗准则进行任何线性化处理,将广义胡克-布朗(generalized Hoek-Brown, GHB)强度准则直接引入到开挖面稳定性分析中,基于极限分析理论构建了富水地层浅埋隧道开挖面多对数螺旋线破坏机构。在考虑孔隙水压力的作用下,推导出能量平衡方程,得到开挖面极限支护应力表达式,并且通过程序优化得到支护应力最优上限解。在此基础上,分析了GHB强度参数、孔隙水压力系数、岩土体重度以及隧道埋深比对开挖面稳定性的影响。最后通过归一化处理得到不同情况下的开挖面极限支护应力稳定性图表,通过该图表能够快速便捷地获得富水地层隧道开挖面维持稳定性所需的极限支护应力,为盾构隧道初步设计提供理论依据。

L型加筋土挡墙地震动力响应理论分析

将L型挡墙与加筋土2种柔性支挡结构相结合,充分利用其良好的抗震性能,可用于地震多发区和高烈度区的支挡工程中。研究地震荷载作用下L型加筋土挡墙的破坏机制与动力响应问题。根据第二、第三滑裂面产生条件,提出踵板长度临界系数λ_(cr),以界定长踵板式和短踵板式2种破坏模式。假设填土滑裂面为直线,应用极限分析上限定理,采用Mohr-Coulomb破坏准则,分别建立2种破坏模式下L型加筋土挡墙临界状态方程,推导其地震屈服加速度系数。根据极值原理给出最优解,得到临界屈服加速度系数及其对应的填土滑裂面倾角,分析破坏模式与临界屈服加速度系数受几何参数、物理力学参数和加筋作用的影响。通过算例分析可知:加筋作用可有效地提高L型挡墙的抗震能力,改变其破坏模式;当设计筋材拉伸强度较大时,L型加筋土挡墙只发生长踵板式破坏。

Upper bound solution of supporting pressure for a shallow square tunnel based on the Hoek-Brown failure criterion

To analyze the stability of a shallow square tunnel, a new curved failure mechanism, representing the mechanical characteristics and collapsing form of this type of tunnel, is constructed. Based on the upper bound theorem of limit analysis and the Hoek-Brown nonlinear failure criterion, the supporting pressure derived from the virtual work rate equation is regarded as an objective function to achieve optimal calculation. By employing variational calculation to optimize the objective function, an upper bound solution for the supporting pressure and the collapsing block shape of a shallow square tunnel are obtained. To evaluate the validity of the failure mechanism proposed in this paper, the solutions computed by the curved failure mechanism are compared with the results calculated by the linear multiple blocks failure mechanism when the Hoek-Brown nonlinear failure criterion is converted into the Mohr-Coulomb linear criterion. The influences of rock mass parameters on the supporting pressure and collapsing block shape are discussed.

土坡稳定性塑性极限分析条分法

从土塑性力学极限分析上限定理出发 ,建立了土坡条分法平移破坏机构。根据外部作用荷载和土体自重所做的外功率与塑性变形区的内部能量耗损率相等的条件 ,建立起虚功率方程 ,并由此得到了土坡稳定系数计算公式。该公式具有概念清楚、使用方便可靠等特点 ,对土坡稳定性分析具有一定实用意义。

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。

井工开采对露井联采边坡稳定影响的塑性极限分析

针对目前对露井联采边坡稳定研究方法的局限性和不足,首先根据露井联采边坡稳定的特征,基于塑性力学上限定理的边坡稳定极限分析方法,建立了井工长壁开采沉陷岩体的机动位移场,对沉陷岩体利用塑性极限分析方法建立功能方程。其次,利用该方法对安太堡南侧排土场下井工开采导致地表沉陷岩体进行了研究,分析了井工开采产生的沉陷对周围岩体特别是边坡岩体沉陷稳定和边坡稳定的影响,提出了露井联采边界参数应以井工开采工作面与边坡台阶的垂直安全距离为依据确定,其井工矿工作面开切眼位置应以Y=74160(与露天矿边坡水平距离为231 m)为界布置,才能保证其安全高度在105 m以上,实现安太堡南帮在露井联采下的安全稳定。

震后暴雨型岩质滑坡启动机理

暴雨是诱发震后岩质滑坡失稳的最重要因素之一,与土质滑坡不同,其相关作用机理还不清楚。在基于对震后受损岩体特征的科学认识前提下,从岩石断裂力学的角度出发,分析了坡体裂缝扩展、降雨入渗和滑面形成机制。继而以极限分析的上限定理为基础,从能量的角度定量研究了裂缝水对岩质坡体稳定性的影响。最后,通过算例表明:震后受损岩坡的裂缝存在一个可在裂缝水作用下自行扩展、贯通软弱夹层的临界深度,同时也存在一个决定滑坡体稳定与否的软弱夹层渗水区域极限长度,即裂缝的扩展贯通和滑面的渗水软化是震后暴雨型岩质滑坡的启动的根本动力。

非关联流动准则对浅埋隧道稳定性影响的上限分析

基于非关联流动准则和极限分析上限理论,通过构建浅埋隧道的简单破坏模式,推导了非关联流动准则下浅埋隧道围岩压力的计算公式。基于内外能耗守恒原理,结合强度折减技术对一定围岩压力下浅埋隧道稳定性进行了分析,并应用非线性优化方法,得出了浅埋隧道围岩压力和一定围岩压力下浅埋隧道稳定性上限解析的优化解答。研究结果表明:岩土材料的剪胀特性和围岩侧压力系数均对浅埋隧道和稳定性有较大影响,且岩土侧压力相关系数对浅埋隧道稳定性的影响程度更为显著。

岩土材料极限分析上界法的讨论

现行的极限分析上界法,尽管求解结果合理,但理论上却存在一些矛盾:如试验证明,关联流动法则不适用于岩土材料,而现行解法却采用了关联流动法则;传统分析中假设体积不变,但计算中却出现大于实际的体积剪胀变形;按关联流动法则,应力特征线与速度滑移线重合,但在分析中却采用速度方向与应力特征线方向成j角;实际土体破坏时,破坏面上同时存在着剪切力nt和正应力ns,但在计算中却反映不出摩擦功。近年在中国日益兴起的广义塑性力学理论为岩土材料的极限分析方法提供了科学的理论基础。作者提出了基于广义塑性力学的极限分析上界法,消除了上述矛盾,并获得了正确的计算结果。通过同经典算法的比较,证明了两种方法的计算结果几乎是一致的,但现行方法计算简便,因而,可作为一种实用的计算方法。论文还对上述两种算法作了系统的分析与比较,指出了它们求解的相同点与不同点。

考虑孔隙水压力效应和非线性破坏准则的浅埋地下洞室支护力上限分析

由于孔隙水压力的作用,位于饱和土体中地下结构的力学和变形特征与完全干燥土体中的结构有很大不同。根据浅埋地下洞室的非线性破坏特征构建了一个新的曲线形破坏机制,并将孔隙水压力做的功率作为一个外力功率引入极限分析上限定理的虚功率方程中,推导了孔隙水压力作用下饱和土体中浅埋洞室支护力和速度间断线上限解的解析表达式。利用变分原理,对此支护力的上限解进行了优化计算,得到了支护力的最优上限解,并对单一影响参数变化下的支护力随埋深变化规律和洞室顶部塌落面的形状进行了研究。研究结果表明:孔隙水压力对饱和土体中浅埋洞室的支护力和塌落面均有重大影响;支护力和塌落面都随孔隙水压力系数的增大而增大。

非线性破坏准则对竖直边坡稳定性分析的影响

在上限分析理论基础上,研究非线性Mohr-Coulomb破坏准则下的竖直边坡稳定性问题。首先,通过“切线法”引进变量;其次,根据上限定理对边坡稳定性问题建立含有变量的速度场,将稳定性问题变为含有多变量的非线性规划问题;最后,根据“序列二次规划算法”求出上限非线性规划问题的最优解。通过上限解和前人的研究成果的比较表明,该方法是有效和正确的。

基于Hoek-Brown破坏准则的浅埋条形锚板抗拔力上限分析

现有的锚板极限承载力研究大多是采用线性或非线性Mohr-Coulomb破坏准则在砂质地基中进行的,然而Mohr-Coulomb破坏准则并不适合分析岩质地基中的抗拔结构。采用Hoek-Brown破坏准则构建了一个曲线型的破坏机制,根据极限分析上限定理求出了条形锚板抗拔力的表达式。通过变分计算,得到了极限状态下条形锚板的抗拔力和岩体破裂面的上限解。为了证明所采用方法的有效性,当材料参数B=1时,采用与Mohr-Coulomb破坏准则等效的土体参数,计算了曲线型破坏机制下条形锚板的极限抗拔力,并与已有计算结果进行了比较。结果表明,采用曲线型破坏机制得到的锚板极限抗拔力与直线型多块体破坏机制的结果基本一致,证明了所采用的曲线形破坏机制是正确的。参数研究表明:在其他参数不变的情况下,锚板极限抗拔力和破坏面都随岩体参数B的增大而减小。

土工格栅均布加筋土坡稳定性分析的上限解法

根据塑性极限分析理论，考虑格栅的加筋效应，对土工格栅均布加筋土坡的稳定性进行了上限解法；由此，确定了格栅加筋土坡临界高度的上限和稳定数。井与无加筋情况下边坡的计算结果进行了对比分析；通过变动参数，计算分析了格栅加筋土坡坡角、表面坡角、土的内摩擦角及格栅抗拉强度对加筋土坡临界稳定数的影响。

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．

地基承载力的数值分析方法

介绍了边坡稳定的塑性力学上限解在计算地基承载力方面的推广。简要回顾了由Ｄｏｎａｌｄ和Ｃｈｅｎ提出的能量法的基本原理，说明该法可以得出与闭合解一样精确的解答，使用此数值方法来复核地基容重不为零时承载力计算的各种经验方法，发现这些经验方法在大多数情况下均低估了地基的承载力。计算基础有埋深和荷载偏心的经验公式也低估了地基承载力约５％～１０％。

纯黏土坡三维动态上限分析

针对存在一定坡顶倾角的边坡,基于已有的三维旋转破坏机构,在原有破坏机构中插入平移破坏机构,使改进后的机构更符合实际情况。考虑地震荷载作用,计算边坡的外功率和内能耗散率,将边坡临界高度的求解转化为非线性规划问题,讨论边坡稳定系数和边坡宽度与高度比值B/H两者之间的关系。研究结果表明:随着滑坡体宽度的增大,边坡的临界高度减小;当B/H增大到5以上,临界高度基本上不再变化。