复合加载条件下海洋地基承载力特性数值分析方法研究

论文摘要

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ζγS=0.6可能偏于危险,此时建议采用ζγS=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

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 岩土工程极限平衡问题研究现状
• 1.2.1 岩土工程极限平衡问题各种求解方法
• 1.2.2 地基竖向承载力
• 1.2.3 复合加载模式下地基稳定性
• 1.3 地基安定性分析
• 1.3.1 安定性分析理论
• 1.3.2 岩土工程中安定性分析
• 1.4 地基稳定和安定分析中存在的主要问题
• 1.4.1 线性规划问题的维数障碍问题
• 1.4.2 地基—基础接触问题非连续变形
• 1.4.3 应力状态对地基承载力的影响
• 1.5 论文的主要工作
• 2 考虑非均质、非关联流动及应力状态影响的竖向承载力数值分析
• 2.1 服从非关联流动法则地基的极限承载力有限元分析
• 2.1.1 条形基础下粘性土地基承载力分析
• 2.1.2 非关联流动法则时地基承载力分析
• 2.1.3 基于强度折减技术的有限元土坡稳定性分析
• 2.2 非均质地基极限承载力及其破坏模式的FLAC数值分析
• 2.2.1 FLAC计算模型
• 2.2.2 计算模型合理性验证
• 2.2.3 条形基础下地基的破坏模式
• 2.2.4 圆形基础下地基的破坏模式
• 2.2.5 地基承载力系数
• 2.2.6 与已有结果的对比分析
• 2.3 考虑中主应力及三向应力状态影响的地基承载力分析
• 2.3.1 平面应变与常规三轴压缩条件下一般粘性土的强度参数关系
• 2.3.2 基于滑移线场理论的条形和圆形地基承载力系数
• 2.3.3 分析与讨论
• 2.4 小结
• 3 复合加载条件下地基承载力的弹塑性有限元数值分析
• 3.1 弹塑性有限元计算模型
• 3.2 复合加载模式下地基承载力的弹塑性有限元数值分析
• 3.2.1 Swipe试验方法
• 3.2.2 改进的Swipe试验方法
• 3.2.3 荷载—位移控制搜寻方法
• 3.3 数值计算与分析
• 3.3.1 H-V平面上的破坏包络线及地基的破坏模式
• 3.3.2 V-M平面上破坏包络线及地基的破坏模式
• 3.3.3 H-M平面上的地基稳定／破坏包络线
• 3.3.4 水平荷载V、竖向荷载H和力矩M共同作用下地基破坏模式
• 3.3.5 三维荷载空间（H，V，M）中地基的破坏包络面
• 3.4 小结
• 4 地基承载力的极限分析上限有限元解法
• 4.1 上限有限元解法中单元类型
• 4.1.1 三角形速度单元
• 4.1.2 刚性板速度单元
• 4.2 上限定理有限单元法中基本控制方程
• 4.2.1 三角形单元内塑性流动约束条件
• 4.2.2 相邻三角形单元接触面上的速度不连续约束条件
• 4.2.3 三角形单元和刚性板单元间的速度不连续约束条件
• 4.2.4 速度已知边界条件
• 4.3 极限分析上限有限单元法数学规划列式
• 4.3.1 三角形单元内的内能耗散率
• 4.3.2 三角形单元间接触面上的内能耗散率
• 4.3.3 基础刚性单元和地基三角形单元接触面间的内能耗散率
• 4.3.4 重力荷载所做的外力功率
• 4.3.5 均布法向荷载所做的功率
• 4.3.6 复合加载模式下地基承载力计算的数学规划列式
• 4.4 线性规划问题求解技术
• 4.4.1 线性规划原问题及其对偶问题
• 4.4.2 求解中小型线性规划问题的单纯形法
• 4.4.3 求解大型线性规划问题的原始—对偶内点方法
• 4.5 算例验证与分析
• c和N_q上限解'>4.5.1 竖向承载力系数N_c和N_q上限解
• r上限解'>4.5.2 竖向承载力系数N_r上限解
• 4.6 复合加载模式下地基承载力上限解
• 4.6.1 H-V平面上地基破坏包络图上限解及相应地基破坏模
• 4.6.2 V-M平面上地基破坏包络图上限解及相应地基破坏模式
• 4.6.3 H-M平面上地基破坏包络图上限解及相应地基破坏模式
• 4.6.4 三维荷载空间（H，V，M）中地基破坏包络面上限解
• 4.7 小结
• 5 地基承载力的极限分析下限有限元解法
• 5.1 下限分析中三角形应力单元及应力正负号规定
• 5.1.1 三角形应力单元
• 5.2 平衡方程的建立
• 5.3 应力边界条件
• 5.3.1 单元间界面的应力边界条件
• 5.3.2 地基已知应力边界条件
• 5.4 应力屈服条件及其线性化
• 5.4.1 地基—基础接触面上的屈服条件
• 5.5 复合加载模式下地基承载力下限解法数学规划列式
• 5.6 有限元下限解法的可视化技术
• 5.7 算例分析与验证
• c下限解'>5.7.1 竖向承载力系数N_c下限解
• q和N_r下限解'>5.7.2 竖向承载力系数N_q和N_r下限解
• 5.8 复合加载模式下地基承载力下限解
• 5.8.1 H-V平面上地基破坏包络图下限解及相应地基破坏模式
• 5.8.2 V-M平面上地基破坏包络图下限解及相应地基破坏模式
• 5.8.3 H-M平面上地基破坏包络图下限解及相应地基破坏模式
• 5.8.4 在三维荷载空间（H，V，M）中地基破坏包络面下限解
• 5.9 小结
• 6 基于安定Melan定理的极限荷载与安定荷载有限元数值解法
• 6.1 Melan静力型安定性分析定理
• 6.1.1 变值复合加载模式下地基弹性应力场
• 6.1.2 地基自平衡残余应力场的建立
• 6.1.3 由Mohr-Coulomb屈服条件表示的应力约束条件
• 6.2 静力型安定定理的数学规划列式及其数值求解方法
• 6.3 地基极限分析与安定性分析的有限元数值解法
• 6.3.1 地基极限分析与安定性分析有限元模型
• 6.3.2 H-V平面上极限／安定荷载有限元数值计算
• 6.3.3 V-M平面上极限／安定荷载有限元法数值计算
• 6.3.4 H-M平面上的极限／安定荷载包络图
• 6.3.5 地基极限／安定荷载有限元数值解的性质和已有解答的比较
• 6.3.6 不同线性规划求解方法在地基极限分析和安定性分析中的差异
• 6.4 小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所完成与发表的主要学术论文及所参加的主要科研项目
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书