各向异性黏土中吸力式沉箱水平承载力有限元分析

论文摘要

吸力式沉箱是一种顶端封闭的薄壁、大直径桶形基础设施，常用于系泊深海浮式石油平台。自1981年欧洲北海GORM油田开发中首次采用这种新型基础形式以来，至今共有485座以上的吸力式沉箱分布在全球50多个海域。作为浮式平台基础的吸力式沉箱通常承受水平方向的拉力。迄今为止众多国内外学者运用模型实验、极限分析和有限元等方法对水平荷载下吸力式沉箱或桶形基础的稳定性进行了探讨分析，但他们侧重于对各向同性土体及细长沉箱的研究，忽略了土体各向异性特性及粗短沉箱被广泛应用近海海域这一实际情况。本文从两个方面来扩充对吸力式沉箱的研究：将强度更新算法与修正Hill各向异性模型相结合，模拟各向异性土体中吸力式沉箱与土体的相互作用；考察水平荷载下粗短沉箱和细长沉箱的极限承载力，分析沉箱长径比、土体重度和旁压强度取值离散性等因素对极限承载力的影响。在Hill弹塑性模型基础上，引入应变率参数，根据应变率参数的正负将沉箱周围土体划分为三轴拉伸及三轴压缩等区域。通过ABAQUS提供的子程序接口，更新土体单元的三轴拉压强度。有限元分析与上限分析作比较，沉箱侧向承载力及沉箱与土体之间相互作用的破坏模式吻合很好，说明包含修正Hill各向异性模型的强度更新算法能正确模拟吸力式沉箱地基的力学性质。极限分析需要事先假定破坏模式，因此只适应于探讨细长沉箱与土体的相互作用。有限元分析无须假定破坏模式，而且能考虑不同试验方法得到的黏土不排水强度指标之间的耦合，因而适应各种长径比的沉箱，同时可以变动参数考察旁压强度等对水平极限承载力的影响。通过对四种典型各向异性土体中吸力式沉箱的数值模拟，发现粗短沉箱与细长沉箱有着不同的破坏模式，细长沉箱主要表现为旋转破坏，而粗短沉箱近似平动破坏。分析水平承载力系数与长径比L／D关系曲线发现，当L／D＞1时，承载力系数随L／D的增大而增大，当L／D＜1时，承载力系数随L／D的增大而减小。各向异性地基的水平承载力与旁压强度指标密切相关。变动参数研究表明，基于旁压强度和不排水单剪强度的大致取值范围，强度各向异性对水平承载力的影响幅度最大不超过24％。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 现场或模型试验
• 1.2.2 极限分析
• 1.2.3 有限元数值模拟
• 1.3 研究目的和研究内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 2 各向异性黏土模型及强度更新算法
• 2.1 黏性土体的各向异性及修正Hill各向异性模型
• 2.1.1 黏土的各向异性
• 2.1.2 修正Hill各向异性弹塑性模型
• 2.2 强度更新算法有限元模型的实现
• 2.3 结论
• 3 有限元模型的建构及强度更新算法的可靠性分析验证
• 3.1 沉箱与土体相互作用的有限元模拟
• 3.1.1 计算模型及参数的选取
• 3.1.2 土体计算范围的选取及边界条件的施加
• 3.1.3 四种工况的选取及承载力参数的归一化处理
• 3.1.4 与极限分析上限解的比较
• 3.2 结论
• 4 各向异性土体中沉箱水平承载力分析及参数研究
• 4.1 破坏机制探讨
• 4.1.1 塑性区的发展趋势
• 4.1.2 旋转中心的位置
• 4.2 参数研究
• 4.2.1 土体重度对水平承载力的影响
• 4.2.2 旁压强度取值对水平承载力的影响
• 4.3 结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢