软土地基上新型港工结构承载特性与稳定性分析方法研究

论文摘要

在我国沿海地区广泛分布着软土地基，倒T型导管墙桩基防波堤与板格形导管架桩基码头，作为适用于软土地基的新型结构，具有整体性好，结构重量轻，工程造价低，施工简便等优点，但结构的承载机理与破坏模式尚不明确，稳定性分析尚无规范可循。本文采用有限元数值模拟方法与理论方法，对两种新型结构的承载特性及稳定性分析方法进行研究。（一）倒T型导管墙桩基防波堤1．建立了倒T型导管墙桩基防波堤结构与地基土体相互作用的三维弹塑性有限元模型，对结构的承载特性及破坏模式进行研究，根据荷载—位移关系曲线以及失稳判别准则确定稳定性安全系数。2.对极限状态下倒T型导管墙桩基防波堤桩侧沿环向、竖向的土压力分布情况进行分析，计算桩侧极限水平土抗力，并与API公式的计算结果进行比较。3.根据不同的失稳破坏模式，对倒T型导管墙桩基防波堤稳定性提出了不同的简化分析方法。针对地基破坏致使结构发生失稳的情况，建立了防波堤结构竖向承载力与抗倾稳定性的简化分析模型；针对桩身屈服致使结构发生失稳的情况，建立了基于p-y曲线法的稳定性简化分析方法，并通过塑性铰判别准则，得出结构稳定性安全系数。4.分析了底板宽度、桩径、桩距、桩基入土深度对防波堤结构稳定性的影响规律，综合考虑结构稳定性要求、强度要求以及材料用量，提出了倒T型导管墙桩基防波堤结构尺度确定原则。（二）板格形导管架桩基码头1.建立了板格形导管架桩基码头结构与地基土体相互作用的三维弹塑性有限元模型，通过加载系数法与强度折减法模拟了结构的极限状态，对结构的承载特性与失稳模式进行分析，得出稳定性安全系数。2.对极限状态下陆侧导管架外壁、海侧导管架外壁、导管架内壁上的土压力大小及分布规律进行分析，并与Rankine主、被动土压力进行比较。3.根据结构特点及受力模式，建立了码头结构竖向承载力及抗倾稳定性的简化计算方法。根据加载系数法与强度折减法的基本原理，计算稳定性安全系数，并与有限元法进行比较。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 新型防波堤结构研究现状
• 1.2.2 新型码头结构研究现状
• 1.2.3 桩土相互作用计算方法研究
• 1.3 本文的主要研究工作
• 1.4 论文创新点
• 第二章 结构与土相互作用的基本理论
• 2.1 弹塑性有限元基本理论
• 2.1.1 弹塑性增量有限元法
• 2.1.2 土体弹塑性本构模型
• 2.1.3 有限元接触模拟理论
• 2.1.4 土体初始应力场
• 2.2 桩土相互作用理论
• 2.2.1 竖向荷载下的桩土相互作用
• 2.2.2 横向荷载下的桩土相互作用
• 第三章 倒 T 型导管墙桩基防波堤稳定性有限元分析
• 3.1 有限元分析模型
• 3.1.1 计算域的选取及边界条件
• 3.1.2 材料参数及本构模型
• 3.1.3 结构与地基土体接触面模拟
• 3.1.4 计算单元的选择与网格划分
• 3.2 稳定性分析方法
• 3.2.1 加载系数
• 3.2.2 稳定性分析步骤
• 3.2.3 结构变位特征点
• 3.3 稳定性有限元分析算例
• 3.3.1 算例概况
• 3.3.2 结构稳定性有限元分析
• 3.3.3 桩侧极限水平土抗力分析
• 3.4 小结
• 第四章 倒 T 型导管墙桩基防波堤稳定性简化分析方法
• 4.1 土体达到承载极限的稳定性简化分析
• 4.1.1 竖向极限承载力分析
• 4.1.2 抗倾覆稳定性分析
• 4.2 基桩达到强度极限的稳定性简化分析
• 4.2.1 p-y 曲线法分析步骤
• 4.2.2 p-y 曲线
• 4.2.3 有限差分法求解桩身内力及变形
• 4.2.4 极限承载力判别准则
• 4.3 算例
• 4.4 小结
• 第五章 倒 T 型导管墙桩基防波堤结构尺度优化
• 5.1 构件尺寸对结构稳定性的影响
• 5.2 结构尺度确定原则
• 5.3 桩径、桩距尺寸确定
• 5.3.1 桩径、桩距对稳定性的双因素影响
• 5.3.2 桩径、桩距对材料用量的影响
• 5.4 桩基入土深度的确定
• 5.5 小结
• 第六章 板格形导管架桩基码头稳定性有限元分析
• 6.1 有限元分析模型
• 6.1.1 计算域的选取及边界条件
• 6.1.2 材料参数及本构模型
• 6.1.3 结构与地基土体接触面模拟
• 6.2 稳定性分析方法
• 6.2.1 加载系数法
• 6.2.2 强度折减法
• 6.3 稳定性有限元分析算例
• 6.3.1 算例概况
• 6.3.2 结构稳定性有限元分析
• 6.3.3 板格形导管架土压力性状分析
• 6.4 小结
• 第七章 板格形导管架桩基码头稳定性简化分析方法
• 7.1 竖向承载力计算
• 7.1.1 简化分析思路
• 7.1.2 简化分析模型
• 7.1.3 竖向承载力及安全系数的确定
• 7.2 抗倾稳定性简化分析
• 7.2.1 抗倾稳定性简化分析思路
• 7.2.2 简化模型的建立
• 7.2.3 抗倾稳定性简化计算方法
• 7.3 算例
• 7.4 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢