复杂条件下海洋结构物地基承载力特性数值研究

论文摘要

以复杂条件下海洋结构物地基基础承载力问题为研究对象,通过有限元数值计算与理论分析,细致地探讨了地基承载力、失稳破坏模式与基础/地基间的不同接触条件、地基土体强度特性、荷载条件等影响因素之间的依赖关系;建立了复合加载条件下地基承载力的数值分析方法,通过变动参数计算,给出了复杂条件下地基承载力的计算图表和简化计算公式,为改进和完善海洋地基基础设计方法提供了理论依据;同时,根据次加载面理论对ALPHA模型进行了改进,建立了能够模拟土体屈服前复杂变形特性的本构模型,在此基础上开发了拟静力有限元计算模块,针对均质地基在循环荷载作用下的承载特性进行了计算与分析。主要研究工作包括:1、将完全隐式的本构积分算法与子增量技术结合,建立了误差控制的自适应本构积分算法,通过在屈服面角点应力区引入伪屈服面,基于关联流动法则建立了双向映射的应力更新算法;根据这两种算法编制的材料子程序,较好地解决了ABAQUS计算砂土地基承载力时较难收敛的困难。将双向映射的应力更新算法推广到非关联流动法则,基于二阶无厚度接触面单元开发了接触计算模块,避开了ABAQUS用二阶单元离散相互接触的物体时接触计算不收敛的问题,可预测更为清晰的地基破坏机制和精确的极限承载力。2、通过有限元计算与分析,探讨了均质地基上埋深基础的承载力系数、埋深修正系数与土体强度特性、基础/地基间不同的接触特性(光滑接触、粗糙或完全粗糙接触)等影响因素之间的关系,并给出了相应的计算图表;与已有研究成果的对比表明,有限元计算结果合理可信,可供工程设计参考。3、建立了复合加载下地基承载力的有限元数值分析方法,对均质地基、层状地基的承载力问题进行了系统的参数研究,分析了基础/地基间不同接触条件(完全粘结或竖向可分离)、地基土层强度特性、荷载组合等因素对地基承载力及破坏模式的影响规律,建立了层状地基临界层厚比及竖向承载力的简化计算公式,给出了复杂条件下地基的极限荷载包络面,为改进和完善海洋地基基础设计方法提供了理论依据。4、根据次加载面理论对ALPHA模型进行了改进,结合模型特点提出了半隐式本构积分算法,在ABAQUS平台上开发了循环承载力拟静力计算模块;利用建立的计算模块,对三轴试验进行了模拟。与已有研究成果对比表明,提出的本构积分算法可较好地实现复杂模型的数值实施;改进的本构模型能够描述土体屈服前的非线性和不可恢复性变形特征,模拟变形特性较为复杂的土体。在此基础上,以均质地基为例,分析了地基的循环承载特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 地基稳定性分析方法
• 1.3 地基竖向承载力的计算
• 1.3.1 均质地基
• 1.3.2 非均质地基
• 1.4 复合加载条件下地基极限承载力评价
• 1.4.1 竖向荷载与力矩作用下的极限荷载包络面
• 1.4.2 竖向与水平荷载作用下的极限荷载包络面
• 1.4.3 竖向荷载、水平荷载及力矩作用下的极限荷载包络面
• 1.5 复杂条件下地基承载力评价中存在的问题
• 1.6 论文的主要工作及创新点
• 1.6.1 主要工作
• 1.6.2 创新点
• 第二章 地基承载力有限元计算模块开发
• 2.1 ABAQUS 有限元软件
• 2.2 ABAQUS/STANDARD 中材料非线性问题求解
• 2.3 土体单元性能对比
• 2.4 基于隐式本构积分的砂土材料子程序开发
• 2.4.1 自适应本构积分方法
• 2.4.2 子增量算法的一致切线模量
• 2.4.3 屈服面角点应力区积分算法
• 2.4.4 UMAT 子程序编制及算例验证
• 2.5 地基-基础间接触计算模块开发
• 2.5.1 无厚度接触面单元有限元算式
• 2.5.2 接触面单元的本构定律
• 2.5.3 接触面单元的本构积分算法
• 2.5.4 程序编制及算例验证
• 2.6 小结
• 第三章 平面应变条件下埋深基础的承载力系数数值分析
• 3.1 数值计算模型
• 3.2 计算结果分析
• 3.2.1 c 型土地基
• 3.2.2 φ型土地基
• 3.2.3 c-φ型土地基
• 3.3 小结
• 第四章 复合加载条件下均质地基承载力的有限元计算
• 4.1 地基承载力有限元计算模型
• 4.2 复合加载模式下地基承载力的数值分析方法
• 4.2.1 二维组合荷载下地基承载力的数值分析方法
• 4.2.2 三维组合荷载下地基承载力的数值模拟方法
• 4.3 基底完全粘结条件下地基的承载力特性分析
• 4.3.1 VM 荷载平面上的破坏包络线及破坏模式
• 4.3.2 VH 荷载平面上的破坏包络线及破坏模式
• 4.3.3 VHM 荷载平面上的破坏包络线及破坏模式
• 4.4 基底可分离条件下地基的承载特性与破坏模式
• 4.4.1 VM 荷载平面上的破坏包络线及破坏模式
• 4.4.2 VH 荷载平面上的破坏包络线及破坏模式
• 4.4.3 VHM 荷载平面上的破坏包络线及破坏模式
• 4.5 小结
• 第五章 复合加载条件下层状地基承载力的有限元计算
• 5.1 竖向荷载作用下的层状地基承载力特性研究
• 5.1.1 层状地基计算模型验证
• 5.1.2 破坏模式与极限承载力的计算分析
• 5.1.3 竖向极限承载力的简化计算
• 5.2 完全粘结的双层黏土地基承载力特性与破坏模式
• 5.2.1 VM 荷载条件下的破坏荷载包络线及破坏模式
• 5.2.2 VH 荷载条件下的破坏包络线及破坏模式
• 5.2.3 VHM 荷载平面上的破坏包络线及破坏模式
• 5.3 基底可分离的双层黏土地基承载力特性与破坏模式
• 5.3.1 VM 荷载条件下的破坏包络线及破坏模式
• 5.3.2 VH 荷载条件下的破坏包络线及破坏模式
• 5.3.3 VHM 荷载平面上的破坏包络线及破坏模式
• 5.4 小结
• 第六章 循环承载力的拟静力有限元计算
• 6.1 引言
• 6.2 改进的ALPHA 模型
• 6.2.1 ALPHA 模型
• 6.2.2 关口-太田（Sekiguchi-Ohta） 模型
• 6.2.3 基于次加载面概念改进的ALPHA 模型
• 6.3 改进ALPHA 模型不排水极限抗剪强度
• 6.4 改进ALPHA 模型半隐式本构积分算法
• 6.4.1 本构积分控制方程
• 6.4.2 应力更新算法
• 6.4.3 切线模量确定
• 6.5 算法及模型验证
• 6.6 循环承载力的计算方法
• 6.7 静荷载作用下竖向承载力分析
• 6.8 均质地基的循环承载力分析
• 6.9 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间论文发表及参加科研项目情况
• 一、完成、发表的论文
• 二、参加的科研项目
• 致谢