波浪荷载作用下桶形基础循环承载力数值模拟

内蒙古工业大学学报JOURNAL OF INNER M ONGOLIA第26卷　第3期UNIVERSIT Y OF T ECHNOLOGY Vol.26No.32007 文章编号:1001-5167(2007)03-0215-04波浪荷载作用下桶形基础循环承载力数值模拟李　驰(内蒙古工业大学建工学院,呼和浩特010051)摘要:对桶形基础在工作荷载和波浪荷载共同作用下的循环承载力进行研究.以海洋软土地基上单桶基础为例,通过平面有限元数值模拟确定桶形基础在工作荷载作用下的静承载力.进而考虑工作荷载和波浪荷载共同作用下软土地基强度的弱化,使用平面有限元数值模拟确定波浪荷载作用下桶形基础的循环承载力.研究结果表明,一定的循环振次下,海洋环境中桶形基础循环承载力的大小取决于基础自身工作荷载.文中结论为海洋工程中桶形基础的设计和使用提供了理论依据.关键词:海洋工程;桶形基础;循环承载力;有限元数值模拟中图分类号:T U431 文献标识码:A0　引　言 桶型基础作为一种新型的海洋平台基础,在海洋工程中被越来越多地使用.海洋环境条件下,由于波浪荷载循环次数多,作用时间长,通过建立循环荷载作用下地基土的应力应变关系,来评价地基循环承载力是非常困难的〔1〕.因此,对于海洋环境下的软土地基,使用拟静力法评价地基循环承载力是非常必要的.传统拟静力法是使用静承载力公式,用一个统一的弱化强度来评价地基整体的循环承载力〔2〕.但由于海洋平台将受到上部结构工作荷载和波浪荷载的共同作用,波浪循环荷载作用下地基土的强度不仅取决于循环应力的大小,而且取决于静应力,只有考虑地基土单元初始静应力的影响才能真实地模拟桶型基础循环破坏时的力学行为〔3〕.通过平面有限元方法计算软土地基单桶基础的竖向和水平向静承载力.依据Mises屈服准则〔4〕,将循环荷载对软土地基的作用效果等效为一种与地基土单元初始静应力有关的地基土强度的弱化〔5〕,在给定的位移破坏标准下,确定波浪荷载作用下软土地基单桶基础竖向和水平向循环承载力.进一步总结了基础上作用的工作荷载与循环破坏荷载之间的关系,提出在一定的循环破坏振次下,基础所能承受的最大循环破坏荷载取决于基础自身的工作荷载;反之,如果已知海洋环境下基础将承受的循环荷载的大小,就可以确定在确保桶形基础安全使用前提下,基础有效工作荷载的合理设计范围.从而为桶形基础的设计和使用提供了的理论依据.1　循环承载力的计算原理和方法 利用式(1)定义地基土单元的循环强度:d,f=( j+ d)f(1)式中: j-由静荷载引起的地基土单元等效静应力; j+ d-由静荷载与循环荷载共同作用引起的地基土单元等效应力.按照式(2)计算 j或 j+ d.收稿日期:2006-05-17作者简介:李驰(1973～),女,任职内蒙古工业大学建工学院.E-mail:tjdx lch2003@.j,( j+ d)=328(2)式中: 8=13( 1- 2)2+( 2- 3)2+( 1- 3)2, 8是由静荷载作用(或静荷载与循环荷载共同作用)引起的地基土单元八面体剪应力. 按照M ises屈服准则〔4〕,采用理想弹塑性模型描述软粘土的应力应变关系.按照地基土的不排水静强度S u确定其屈服强度,通过平面有限元计算静荷载(工作荷载)作用下地基土单元受到的静应力及相应的八面体剪应力 8.利用式(2)计算地基每个土单元的等效静应力 j.然后依据循环三轴试验建立的土单元循环强度随等效静应力的变化关系,确定与某一循环破坏次数对应的循环强度 d,f,见图1.此时以每个土单元的循环强度作为相应的屈服强度,仍按照理想弹塑性模型,通过平面有限元计算基础的竖向(水平)荷载位移曲线,按照确定的位移破坏标准确定基础的竖向(水平)循环破坏荷载.2　有限元数值计算模型和计算参数 平面有限元模型及网格划分见图2.桶的几何尺寸为0.5×0.8×0.008(m).地基土水平向取8倍桶径,竖向取4倍的桶高.在土体水平边界设竖向约束,竖向边界设水平约束,在桶外侧及桶底设二维接触单元.采用M ises屈服准则,饱和软粘土不排水静剪切强度为12kPa,泊松比0.42,弹性模量1.2e3kPa.考虑桶壁与土紧密接触的情况,参考文献〔6〕将桶及桶内土塞看成一整体,将桶的弹性模量取为土剪切强度的1500倍,桶的泊松比取0.25.3　数值计算结果与分析 桶形基础除受到自身工作荷载(静荷载)外,由风浪引起的循环荷载将对桶形基础产生竖直和水平两个方向的作用.考虑基础经受一次典型的风暴潮作用,取循环破坏次数N f=1000.通过平面有限元数值计算确定在静荷载和循环荷载共同作用下桶形基础的竖向和水平向循环承载力.3.1　竖向及水平向静承载力在平面应变有限元模型上施加竖向及水平向静荷载,确定基础的荷载-位移曲线见图3.参考重力式浅基础的竖向位移破坏标准,以基础中心点的竖向位移量达到基础宽度的7%为桶形基础的竖向位移破坏标准〔7〕;参考海洋平台失稳标准〔8〕,以基础倾角为2°时的水平位移量为桶形基础的水平位移破坏标准.在给定的位移破坏标准下确定单桶基础的竖向静承载力为15.8kN;水平向静承载力为3.0kN. 3.2　竖向及水平向循环承载力在模型上施加一竖向静荷载,取为竖向静承载力的0.12,0.24,0.40,0.56,0.86倍,确定1000次循环破坏振次下地基土单元的不固结不排水循环剪切强度.然后再施加一竖向荷载V d和水平荷载H d,确定竖向静荷载与循环荷载之和V+V d～S v的关系曲线以及水平循环荷载H d～S h的关系曲线见图4,按照位移破坏标准确定基础的竖向及水平向循环承载力见表1.根据表1的计算结果,总结V d/V j～V/V j 216内蒙古工业大学学报2007年的关系和H d /H j ～V /V j 的关系见图5.从图5中可以看出,当基础受到的静荷载不同时,所能承受的循环破坏荷载也不同.当V /V j 为0.24时,对应的循环破坏荷载为静承载力0.34倍;当V /V j 为0.40时,水平循环破坏荷载达到最大,为水平静承载力的0.84倍.此外,如果已知桶形基础在使用过程中可能遭受到的循环荷载(如图5),就可以确定确保桶形基础安全使用时基础工作荷载的合理设计范围P 1～P 2.表1　循环荷载与静荷载的关系V /V j V (kN /m )V +V d (kN /m )V d (kN /m)V d /V j (V +V d )/V jH d (kN /m)H d /H j 0.000.00 2.16 2.160.200.20 1.700.280.12 1.20 4.65 3.350.310.43 4.100.680.24 2.40 6.27 3.670.340.58 4.860.810.40 4.007.67 3.350.310.71 5.060.840.56 5.608.75 2.700.250.81 4.700.780.868.6010.381.080.100.962.100.35图5　竖向及水平向循环破坏荷载与静荷载的关系217第3期李驰　波浪荷载作用下桶形基础循环承载力数值模拟218内蒙古工业大学学报2007年4　结　论 通过平面有限元计算,对软土地基上桶形基础在基础自身工作荷载和波浪循环荷载的共同作用下的竖向及水平向循环承载力进行了数值模拟.提出在一定的循环破坏振次下,当基础自身工作荷载不同时,基础所能承受的循环破坏荷载是不同的.按照基础经受一次典型风暴作用考虑,当基础的工作荷载是竖向静承载力的0.24倍时,竖向循环承载力达到最大,为竖向静承载力的0.34倍;当基础的工作荷载是竖向静承载力的0.40倍时,水平循环承载力达到最大,为水平静承载力的0.84倍.其研究成果为桶形基础在海洋工程中的运用和推广奠定了理论基础.文中的结论有待于通过模型试验作进一步验证.参考文献:[1]　P rev ost J H.O ffsho r e G r avit y Str uct ur es:A nalysis[J].Jo ur nal o f Geo technical Eng ineering A SCE,1981,107(2):143～165.[2]　David N C.A So il M odel for the Ev aluation of Displacement and P or e P ressures in Fo undatio n o f O ffshor e G ra vit yStr uctures Subject ed to Cy clic L oading,Inter natio nal Symposium o n N umerical M o dels in G eom echanics,1982,368～376.[3]　A nder sen K H.Bear ing Capacity for Fo undatio ns w ith Cyclic L oads[J].Jo ur nal o f Geo technical Engineer ing,A SCE,1988,114(5):540～555.[4]　李驰,王建华.软土地基单桶基础循环承载力研究[J].岩土工程学报,2005,27(9):1040～1044.[5]　Wang Jian-hua,L iu Y uanfeng,et al.Estimat ion o f U ndr ained Bear ing Ca pacit y fo r Offshor e Soft Fo undation w ithCy clic L oads[J].China Ocean Engineer ing,1998,12(5):213～222.[6]　J Cao,R P hillips,R Popescu,et al.N umer ical A nalysis o f the Behav io r o f Suct ion Cassion in Clay,ISO PE,2003,13(2):154～158.[7]　Sher if EI-Ghar baw y,Suctio n Cassio n in So ft Cla y[C].T he18th Inter natio na l Confer ence o n O ffsho r e M echanicsand A rctic Engineer ing,1999,OF T-4063[8]　M.Hesar,2003.G eotechnical D esign of t he Bar racuda and Cara tinga Suctio n A nchor s,O T C15137N U M ERIA CAL SIM U LA T IO N O F CY CL IC BEA RIN G CA PA CIT Y O F BU CKET FOU NDA T IO N U N DER WA V E LO A DSLI Chi(S chool of Ar chitecture and Civil E ngineering,I nner M ongolia University o f T echnology,H ohhot010051,China) Abstract:Cyclic bearing capacity of bucket fo undation subjected to w orking loads and w ave lo ads has been studied.In this paper,the v ertical and horizontal static capacity of bucket foundatio n on oceanic soft clay is first calculated.Further,the vertical and horizontal cyclic bearing capacity is deter mined for bucket fo undation through plane finite element analysis,w ith deg radation of soft clay strength caused by w orking loads and w av e lo ads taken into consideration.Conclusion is draw n that the cyclic bear ing capacity depends on dead loads if the cycles′number keeps w ithin cer tain range. Cyclic bearing capacity varies w ith different dead loads.T his paper pr ovides a theoretical reference for desig ning and using bucket foundation in oceanic eng ineering.Keywords:o cean eng ineering;bucket foundation;cyclic bear ing capacity;finite element numerical simulating。