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。
桶形基础采油平台三维有限元稳定性计算分析
关
键
词 ：桶形基础 ；Ｃ ２ Ｂ采 油平 台；稳定性 ；三维有 限元 Ｂ０ 文献标识码 ：Ａ
中图分类号 ：Ｔ ５ ． ｕ ７ ３６
Ｔｈ ． ｆｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔａ ａｙ ｉ ｏ ｔ ｂ ｌ ｙ ｏ ｅ３ Ｄ ｉ ｅｅ ｎ ｎ ｌ ｓｓ ｆ ａ ｉ ｔ ｆ ｉ ｅ ｓ ｉ ｐ ａ ｏ ｍ ｉｈ ｂｕ ｋ ｔｆ ｕｎｄ ｉ ｌ ｔ ｒ ｗ ｔ ｃ ｅ ｏ ｆ ａｔｏｎ
摘
要 ： 采用三维有 限元 计算方法对 Ｃ ２ Ｂ桶形基础海上采油平 台进行 了稳定性计算分析 。平 台工 作期间在外部荷 载如风 Ｂ０
力、波浪 、冰 力、海流等 作用下 ，其抗 倾 、抗滑 稳定性 不仅与平台的整体结构有 关，而 且和海底 土体的力学特性 以及结构 与
土 体 的 相 互 作 用 密 切 相 关 。分 析 结 果 表 明 Ｃ ２ Ｂ桶 形 基 础 平 台在 设 计 条 件 下 运 行 是 较 为 稳 定 的 。 Ｂ０
２ Ｏｆ ｈ ｒ ｎ ｉ ｅ ｒｎ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｄｉｉ ｉｎ ｏ ｉｌ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｓ ｒ ｈ Ｉ ｓ ｉ ｔ ， ． ｆ ｏ ｅ Ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｓ ａ ｃ ｖ ｓｏ ｆ ｓ Ｄｒ ｌ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｒｅ ｅ ｃ ｎ ｔｔ ｅ ｉ ａ ｕ
Ｙ ｎ ｉ ｌｇ Ｗａ ｇＳ ｕｆ１ Ｋ ｎ ｉ － ｅｌ Ｙ ａ ｉｎｘｎ Ｌ ｈ ａ ２ Ｗａ ｇＱｕ ｎ ａ ｇＪａ ｉ ’ －ｎ ｎ ｈ － ｏ ｇＬｎ ｗ ｉ ａ ｇ ｕ ｎＪａ －ｉ’ ｉ Ｚ ｉ ｎ ｕ － ｎ ａ２
（ ． ｅ ａ ｏ ａ ｒ ｆ ｏ ｋ ｎ ｉＭｅ ｈ ｎｃ ， Ｉｓ ｔｔ ｆ ｏ ｋａ ｄＳ ｉＭｅ ｈ ｎｃ， ｈｎ ｓ Ａ ａ ｅ ｆ ｃｅ ｃ ｓ Ｗｕ ａ ４ ０ ７ ， Ｃ ｉａ １ Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔ ｙｏ ｃ ｄｓ ｌ ｃ ａ ｉｓ ｎ ｔｕｅ ｃ ｎ ｏｌ ｃ ａ ｉ Ｃ ｉｅｅ ｃ ｄ ｍｙｏ ｉ ｅ． ｏ Ｒ ａ ｏ ｉ ｏＲ ｓ Ｓ ｎ ｈｎ ３０ Ｉ ｈｎ ：
V_H_T荷载空间内海上风机桶形基础破坏包络面特性分析
第43卷第4期2010年4月土 木 工 程 学 报CH I NA C I V I L ENG I NEER I NG J O URNALVol .43Ap r . No .42010基金项目:国家自然科学基金项目(50909048、50639010)、鲁东大学博士科研启动项目(LY20075602、LZ20085604)作者简介:范庆来,博士,副教授收稿日期:2008207224V 2H 2T 荷载空间内海上风机桶形基础破坏包络面特性分析范庆来1,2 栾茂田2(1.鲁东大学,山东烟台264025;2.大连理工大学,辽宁大连116024)摘要:与海上采油平台的基础不同,用于海上风力发电机的吸力式桶形基础不但承受着上部结构所传来的竖向荷载V 、风浪等引起的水平荷载H ,还承受着叶片等旋转机构传来的扭矩T 。
在s wi pe 加载方法和固定位移比加载方法的基础上,建议了荷载2位移联合搜索方法。
采用该方法对于桶形基础在V 2H 、V 2T 、H 2T 荷载平面内以及V 2H 2T 非共面复合加载条件下的稳定性进行了三维有限元数值分析,得到了V 2H 2T 荷载空间内的破坏包络面。
由此可根据实际的受力状态与该破坏包络面之间的相对关系,评价实际荷载状态下海上风力发电机桶形基础的稳定性。
关键词:海上风力发电机;桶形基础;破坏包络面;稳定性;复合加载中图分类号:T U375.4 文献标识码:A 文章编号:10002131X (2010)0420113206Fa ilure envelopes of bucket founda ti on for offshore w i n dturb i n es i n V 2H 2T load i n g spaceFan Q ingla i1,2 L uan M aotian2(1.Ludong University,Yantai 264025,China;2.Dalian University of Technol ogy,Dalian 116024,China )Abstract:The sucti on bucket f oundati on f or offshore w ind turbines is subjected t o not only vertical l oading caused by structural weight and horizontal l oading and moment due t o w ind 2or wave 2induced l oading,but als o t orque fr om r ot or blades,as opposed t o the f oundati on f or offshore oil p r oducti on p latf or m s .B ased on s w i pe test l oading method and fixed dis p lacement rati o l oading method,a combined l oad 2disp lacement searching method is p r oposed .U tilizing the p roposed method,three di m ensi onal finite elem ent numerical analyses are conducted t o exp l ore the failure mechanis m s of bucket f oundati on in different l oading p lanes,such as V 2H,V 2T,H 2T and in V 2H 2T l oading space under out 2of 2p lane combined lading .The failure envel opes in different l oading s paces are obtained .According t o the relati onshi p bet w een the actual com bined l oading and the computed failure envel opes,the stability of bucket f oundati on could be evaluated .Keywords :offshore wind turbine;bucket f oundati on;failure envel ope;stability;combined l oading E 2ma il :ldufanqinglai@引 言随着煤炭、石油、天然气等不可再生资源的逐步消耗以及日益严重的电力紧张,世界各国都在投入巨大精力与资金开发风电等可再生能源。
液化土层中桶形基础承载力弱化的数值模拟
ａ ｔ ｒ ｓ ｔ ｏｗｎ ａ ｈｅ ｒ ｎ ｏｎ ｉｉ ｎｓ ａ ｄ ｆｅ ｈｕ ｄ ｎｄ ｏｔ ｒ ｗｏ ｋｉ ｇ ｃ ｄ ｔｏ ， ｎ ｄ ｔ ｒ ｉ ｅ ｔ ｌ ｗ ａ ｓ ａ ｅ ｌ ｎ ｔ ａ ｗ ｅｌ ｏ — ｅ ｅ ｍ ｎ ｈｅ ｆｏ ｓ ｕｒ ｎｃ ｐ ａ ｈ ｔ ｌ ｃ ｒ ｎ
ｐｌｔｏ ｉ ｉ ｓ ｕｓ ｄ ｆ ｒ ｉ ｔａ ｔ ｒ ｕ ｅ ａ ｉ ｇ ｅ ｉ ｎ ｌｑｕ ｄ ｉ ｅ ｏ ｎｉｉ ｌｓ ａ ｔ ｐ ｐｒ ｈｅ ｔｎ ｏ ｕ ｅ ｐ ｐ ｌｎｅ ｎ ｔ ｂ ｄｌｄ ｆ ｓ ｂｓ ａ ｉ ｅ ｉ ａ ｄ ｈｅ ｕｎ ｅ ｐｉ ｌｎｅ ｉ ａ ｐｅｉ ｓ —
侯 磊， 张劲 军 ． 于 流 动 保 障 的 海 底 油 气 管 道 安 全 策 略 与 技 术 基
Ｅ２ 中 国 海 上油 气 ，０ ４ １（ ） ２ ５２ ８ Ｊ． ２ ０ ，６ ４ ：８ ８ ． 刘 菊娥 ， 国 民 ， 向 荣 ， ． 中 ３ ／ 边 际 油 气 田有 效 开 发 孙 郑 等 渤 ４３ ５
ｄ ｎ： Ｅｌｅ ｉｒ Ｓ ｉ ｎ ｅ Ｉ ｄ ２ ０ ． ｏ ｓ ｖ ｅ ｃｅ ｃ ．， ０ ５ ｔ
ｄｏ ｔ ｄ ｔ ｉｐｌ ｃ ｈｅ ｐ ｐｅｉ ｏ ｅ ｓ ａ ｔ ｐ ａ ｔ ｒ ｐ ｅ ｏ ｄ ｓ ａ ｅ ｔ ｉ ｌｎｅ ｆ ｒ ｒ — ｔ ｒ ｕ ｆｅ ｓ ｕｔ ｏ ｎ． Ｈ ｅ ｅ， ｉ ｈ ｄｗ ｎｃ ｔ ｈｅ ｐ ｔ ａ ｏｉ ｔ ｒ ｓ ｏ ｌ ｓ ｏ ｖ ｄ ｈｅ ｉｋ ｆ ｓ ｂｓ ａ ｉ ｌｎｅ ｌ ｃ ｇｅ ｆｅ ｔｖ ｌ ａ ｐ ｏｖ ｄ ｓ ｕ ｅ ｐ ｐｅｉ ｂ ｏ ｋａ ｅ ｆ ｃ ｉ ｅｙ ｎｄ ｒ ｉ ｅ ｔ ｔ ｃ ｈｅ ｅ ｈｎｉａ ｓ ｐｐ ｒ ． Ｉ ａ ｄｉｉ ｎ， ｉ ｃ ｎ ｅ ｕｃ ｃ ｌ ｕ ｏ ｔ ｎ ｄ ｔｏ ｔ ａ ｒ ｄ ｅ ｔ ｏｓ ｓ ｉ ｉ ｌ ｖｅｏｐ ｅ ｎｄ ｏｐ ｒ ｔｏ ｈｅ ｃ ｔ ｎ ｆｅ ｄ ｄｅ ｌ ｍ ｎｔａ ｅ ａ ｉ ｎ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ｃ ｓ ｆ ｌａ ｐｌｃ ｔｏ ｆｆｏ ａ ｓ ｒ ｎｃ ｅ ｈ ｌ ｇｙ ｕｃ ｅ ｓ ｕ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｌ ｗ ｓ ｕ ａ ｅ ｔ ｃ ｎｏ ｏ
19、桶形基础极限承载力特性研究_张金来
第24卷 第7期岩石力学与工程学报 V ol.24 No.72005年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April ，2005收稿日期：2003–07–17；修回日期：2003–09–18基金项目：中国科学院知识创新重大项目(KJCX2–SW –L03–01)作者简介：张金来(1978–)，男，硕士，2003年于中国科学院力学研究所获硕士学位，主要从事岩石力学试验方面的研究工作。
E-mail ：jinlai_zhang@ 。
桶形基础极限承载力特性研究张金来1，鲁晓兵1，王淑云1，时忠民2，张建红3(1. 中国科学院 力学研究所，北京 100080；2. 中国海洋石油总公司研究中心，北京 100027；3. 清华大学 水利水电工程系，北京 100084)摘要：通过有限元计算，分析了不同长径比下横向和竖向承载力、载荷位移曲线以及耦合载荷作用下的极限承载力特性，并与实验结果进行了对照。
结果表明：当竖向压力小于某临界值时，基础的横向极限承载力随着竖向压力的增加而增加；但是当竖向压力增大到超过该临界值以后，横向极限承载力反而会随竖向压力的增大而降低。
随着长径比的增加，基础承载力，特别是横向承载力有比较明显的提高。
关键词：岩土力学；有限元法；长径比；耦合载荷中图分类号：TP 183 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)07–1169–04THE CHARACTERISTICS OF THE BEARING CAPACITYOF BUCKET FOUNDATIONZHANG Jin-lai 1，LU Xiao-bing 1，WANG Shu-yun 1，SHI Zhong-min 2，ZHANG Jian-hong 3(1. Institute of Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100080，China ； 2. Research Center of Chinese Ocean Oil Company ，Beijing 100027，China ；3. Department of Hydraulic and Hydropower Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China )Abstract ：The finite element software(ABAQUS) was used to simulate the bearing capacity of the bucket foundations with different height-to-diameter ratios. The characteristics of the bearing capacity of the foundations under the vertical loading ，the horizontal loading and the coupling loadings were analyzed. The numerical results were compared with that of experiments. It is shown that under a critical vertical loading ，the horizontal bearing capacity increases with the increase of the vertical loading ，but decreases with the increase of the vertical loading when the latter is larger than the critical loading. The bearing capacity ，especially the horizontal bearing capacity ，increase obviously with the increase of the height-to-diameter.Key words ：rock and soil mechanics ；FEM ；height-to-diameter ratio ；coupling loading1 引 言桶形基础(简称桶基)的概念最早见于国外20世纪60年代[1，2]，从70年代初开始对其进行了大量的实验研究，80年代后期开始受到石油公司的重视并逐渐运用到海洋平台建设中。
地基处理桩基沉降、负摩阻力、水平承载力
0.002l0 0.007l0 0.005l0
府 溶 咋 托
根
单层排架结构（柱距为6m）柱基的沉降量（mm） 120
橡 蟹
弦
适
地
基
处
理
桩
基
4.4.1 单桩沉降的计算
在竖向荷载作用下单桩沉降由三部分组成： （1）桩身弹性压缩引起的桩顶沉降； （2）桩侧阻力引起的桩周土中的附加应力以压力
扩散角，致使桩端下土体压缩而产生的桩端沉降； （3）桩端荷载引起桩端下土体压缩所产生的桩端
N0影响很小可忽略不计， P（Z）= kxxb0 =mzxb0。上式变为：
N0 H0
M0
x
承台底面
EId4x5zx0
z
dz4
其中： 5 mb1 为桩的水平变1形 /m ） 系。 数（
EI
下醚牙侨母付切各秧依秦蒸 克眷缨逸索抄捉瑞惮炼末坯 抗荧邦映临蹬蛛攀地基处理 桩基沉降、负摩阻力、水平 承载力地基处理桩基沉降、 负摩阻力、水平承载力
③ “m”法：假定地基系数Kx随深度成正比例地增长．目前我国应用较多， Kx =mz。
H0
x
t
Kx=mz
（c）”m”法
突全两颧蚤括模团护镇买 盲间足紧稀糟辈畦辐艘名 肮翰郧顺薄因献襄今亭地 基处理桩基沉降、负摩阻 力、水平承载力地基处理 桩基沉降、负摩阻力、水 平承载力
④ “c值”法：假定地基系数Kh随着深度成抛物线规律增加，即Kh =cz1/2 ，c为常数，随土类不同而异。在 我国多用于公路交通部门。
赶绪咸橱称剂湘绷零扛叫璃台 咏鸥疆容杯丘凝枣晋沈之筏峰 脑倾辩搞齐款地基处理桩基沉 降、负摩阻力、水平承载力地 基处理桩基沉降、负摩阻力、 水平承载力
换 算 深 度 h 和 最 大 弯 矩 系 数 C M （3）桩身最大弯矩及位置
改进桶基础结构以提高承载能力的研究
骤然增大达到 ０ ． ８ ３ ６ ｍｍ，此 时两端 的塑性 开展 区 已扩 散到 中
改进桶基础结构 以提高承载 能力的研究 ห้องสมุดไป่ตู้
口 刘文 白 赵永强
上海 ２ ０ １ ３ ０ ６ ）
（ 上海海事大学海洋环境 与工程 学院
摘 要： 通过有 限元数值模 拟结合模型试验研究 了竖向荷载作用下桶基础与经改进后的异形桶基础 的应力分布 和极 限承载力 的变化 ， 将所得 的数值模拟结果进行对 比分析。异形桶基础的极 限承载力较 改进前的桶基础的极 限承载力提高最大可达 ６ ８ ． ７ ２ ％。异形桶基础极 限承载力增大的效果受到其 自身径高比的影响，最优径高比接 近１ ． １ ２ ５ 。异形桶基础在竖 向荷载作用下的极限位移小于桶基础的极限位 移。极 限承载力提高 的原 因主要在于 帽檐下方 的土体为基础提供 了类似桩端 阻力 的支承力。
伴随我国经济的高速发展，海洋这一蕴藏丰富资源的宝 ２桶基础竖 向受力的数值模拟
藏越来越受到 国家的重视，大量海洋及近海工程如雨后春笋
表ｌ 列 出了不 同试验方案下的桶基础 几何尺寸 。其 中编
般出现在我 国漫长海岸线 。然而海洋及近海工程因为其环境 号 ｌ 至 ４为一般桶基础 ， 之后统称为桶基础 ， 编号 ５ 至 ８为改
： 椭 璜 壁 厚； 桶 侧 整 厚
５ ５ ５ ｊ ５ Ｓ ５ ５ ５ ５ ， ５
７
８
９ ０
１ ２ ０
１ ３ ５
Ｉ ８ ０
１ ０ ｏ
ｌ ｏ ０
５
５
５
软土中单桶基础竖向循环承载力的模型试验
９ ５
器 ３测 量 给基 础 施 加 的 竖 向 静 荷 载 与 竖 向循 环 荷 载 ，同时力 传 感 器 采 集 的信 号 也 作 为 伺 服 控 制 反馈 信 号 进 行 精 确 的 加 载 控 制 。利 用 差 动 变
有 一个 定 量 认 识 ，同 时 也 为 评 价 软 土 中 桶 型 基 础循 环 承 载 力 方 法 的合 理 性 提 供 一 些 可 供 验 证
的模 型试 验数 据 。
＊
基 金 项 目 ： 国家 自然科 学 基 金 项 目 （ ０ ７ ０ ５ ５８９５）
第 ｌ 期 ｌ
曲 延 大 ，等 ：软 土 中 单 桶 基 础 竖 向循 环 承 载 力 的模 型 试 验
析地 基 的循 环 承 载 力［ ９ 。利 用 循 环 弹 塑 性 本
鉴 于 以 上 分 析 ，本 研 究 利 用 真 空 预 压 方 法 制 备 了一 个 大 尺 寸模 型 试 验 软 黏 土 土 池 ，采 用 电气伺 服 超 低 频 循 环 加 载 装 置 ，进 行 了 软 土 中
单 桶基 础 在 竖 向静 荷 载 与 竖 向循 环 荷 载 共 同作 用 下 的承 载 力 模 型试 验 。本 研 究 目的 在 于 通 过 模 型试 验 对 软 土 中桶 形 基 础循 环 承 载 力 的变 化
摘
要 ：利 用真 空预 压 法 制 备 了一个 大 尺 寸 软 土模 型试 验 土 池 ，针 对 两种 不 同直
径桶 型基 础 ，进行 了 多组 竖 向静 荷 载 与 循环 荷 载 共 同作 用 下 单 桶 基 础 承 载 力 的模 型试 验 ， 研 究 了软 土 中单 桶基 础循 环 承 载 力 的 变化 。研 究结 果 表 明，如 果 基 础 受 到 的 竖 向 总荷 载 比 小 于 ０ ８ ，则 循环 荷载 作 用下 基础 的竖 向累 积 沉 降 随循 环 次 数 的 变化 趋 势是 安 定 的；如 果 ．５ 竖 向总荷 载 比大 于 ０ ９ ． ，那 么基 础 的 竖 向循环 累积 沉 降将逐 渐增 加 ， 并最 终 导致 基 础破 坏 ； 如果 竖 向总荷 载 比接 近或 大 于 １ ０ ． ，基 础 的循环 累积 沉 降发展 加 快 ，而且 此 时竖 向静荷 载越 大 ，竖 向循 环 累积沉 降发 展就 越 快。依 据 模 型试 验 结 果 可 以得 出，竖 向静荷 载 与循 环 荷 载 共 同作用 下 ，软 土 中单桶 基础 的循环 承 载力 大约 为静 承载 力 的 ８ 左 右 。 Ｏ 关 键 词 ：桶 型基 础 ；模 型试 验 ；循环 承 载力 ；海 洋平 台基 础 ；软土 地基
复合加载模式下单桩复合筒型基础地基承载力包络线研究
合加载模式下地基承载力及破坏模式，得到了地基 承载力包络线和判断地基稳定性的数学表达式。对 于单桩基础，王俊岭等[14]利用有限元数值分析软件 对复合加载模式下海上风机桩基础破坏机制进行了 详细地研究，确定了 V、H 和 M 共同作用下桩基础 的破坏模式及在荷载空间（V、H、M）中的破坏包 络面，并根据破坏包络面与实际桩基受力状态之间 的相对关系，评价实际荷载状态下海上风机桩基础 的稳定性。刘冰雪等 [1516] 应用有限元数值分析软 件，研究了海上风机 3 桩及 4 桩基础结构在单调荷 载及复合荷载作用下的承载力特性并得到 V-H 荷载 空间内的破坏包络线，探讨了荷载作用方向、单桩 桩径及桩间距对海上风机多桩基础极限承载力的影 响。刘润等[17]对海上风电宽浅式筒型基础进行了承 载特性研究，运用数值模拟方法获得了不排水饱和 软黏土中宽浅式筒型基础地基承载力的包络线。由 此可见，运用数值分析方法建立不同形式基础的地 基承载力包络面是评价地基稳定性的重要途径。 本文针对天津大学海上风电课题组研发的新型 基础型式——单桩复合筒型基础，运用承载力包络 线的数值分析方法，得到了单桩复合筒型基础在 V-H、V-M、H-M 和 V-H-M 荷载空间内的破坏包络 线 （面） ， 并开展了该种新型基础形式的室内模型试 验研究，验证了数值分析方法的可靠性。
第 37 卷第 5 期 Байду номын сангаас016 年 5 月
DOI： 10.16285/j.rsm.2016.05.033
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.37 No.5 May 2016
复合加载模式下单桩复合筒型基础 地基承载力包络线研究
刘 润 1，祁 越 1，李宝仁 1, 2，练继建 1，丁红岩 1
水流作用下双圆柱墩混凝土梁桥的动力响应实测与数值模拟
文章编号：1000-4750(2021)01-0040-12水流作用下双圆柱墩混凝土梁桥的动力响应实测与数值模拟华旭刚，邓武鹏，陈政清，唐 煜(湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室，湖南，长沙 410082)摘 要：西藏达林大桥为一座7跨桥面连续的混凝土梁桥，下部结构采用双圆柱桥墩。
2018年7月，在水流作用下达林大桥桥墩及桥面出现了显著的顺桥向振动。
该文报道了水流作用下大桥的动力响应实测与数值模拟研究。
实测表明：桥梁顺桥向振动表现为桥梁一阶纵向模态为主的拍振，横桥向为随机微振动；顺桥向最大加速度约为0.08 m/s 2，梁端最大位移约为1.56 mm 。
基于一阶纵向振动模态参数，将双圆柱墩梁桥简化为单自由振动体系，在2 m/s~10 m/s 流速范围内(折减流速U r =1.69~8.45、雷诺数Re =2.6×106~1.3×107)进行了二维流固耦合数值模拟，得到了桥墩双圆柱升阻力系数以及不同结构阻尼比时的涡振响应。
并对桥墩振型与水流流速剖面等三维效应进行修正，得到了墩顶位移随流速变化的关系。
结果表明：上游柱尾流对下游柱的脉动涡激升力有显著增强作用，在3 m/s~6 m/s 流速范围内双圆柱桥墩出现了涡激振动。
在考虑三维修正后，ζ=0.01工况下墩顶位移数值模拟结果与实测值较为吻合。
随着阻尼比ζ的增加，涡振最大振幅变小，锁定区间基本不变。
关键词：桥梁工程；双圆柱桥墩；涡激振动；流固耦合；三维效应中图分类号：U441+.3 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0143NUMERICAL SIMULATION AND FIELD MEASUREMENT OF DYNAMIC RESPONSES OF BRIDGES WITH TWIN CIRCULAR-CYLINDER PIERSSUBJECTED TO WATER FLOWHUA Xu-gang , DENG Wu-peng , CHEN Zheng-qing , TANG Yu(Key Laboratory for Wind and Bridge Engineering of Hunan Province, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, China)Abstract: The Dalin Bridge in Tibet is a 7-span concrete beam bridge with a continuous bridge deck, supported with several twin-circular cylinder piers. In July 2018, pier and deck of Dalin Bridge suffer from significant vibration along the bridge direction under the action of water flow. This paper described the field measurements and numerical simulations of dynamic response of the bridge system subject to water flow. The field measurement showed that: the longitudinal vibration of bridge deck is a beat vibration dominated by its fundamental modewhile the lateral vibration is random vibration; the longitudinal maximum acceleration is about 0.08 m/s 2,maximum displacement is about 1.56 mm. Based on the first-order longitudinal fundamental mode, the bridge is simplified as a SDOF system, two-dimensional numerical simulation of twin-circular cylinders is carried out forflow velocity 2 m/s~10 m/s (reduced flow velocity U r =1.69~8.45, Reynolds number Re =2.6×106~1.3×107), and the lift and drag forces, and the dynamic responses of piers under different damping are obtained. After incorporating a correction accounting for the pier vibration mode and velocity profile of water flow, the vortex-induced vibration amplitude at pier top is derived. The results indicate that the interference effect of upstream cylinder will increase the lift force of downstream cylinder. Vortex-induced vibration (VIV) is observed from收稿日期：2020-03-07；修改日期：2020-06-15基金项目：国家重点研发计划国际合作重点专项资助项目(2016YFE0127900)通讯作者：华旭刚(1978−)，男，浙江人，博士，博导，主要从事风工程及桥梁流致振动研究(E-mail: ***************.cn ).作者简介：邓武鹏(1996−)，男，湖南人，硕士生，主要从事桥梁流致振动研究(E-mail: ******************.cn );陈政清(1947−)，男，湖南人，博士，博导，主要从事工程力学研究(E-mail: **************.cn );唐 煜(1987−)，男，湖南人，博士，主要从事风工程研究(E-mail: ****************).第 38 卷第 1 期Vol.38 No.1工 程 力 学2021年1 月Jan.2021ENGINEERING MECHANICS40flow velocity 3 m/s~6 m/s. The three-dimensional effect has a significant impact on the displacement of pier top in two-dimensional numerical simulation and the numerical simulation result matches well with the measurement when damping ratio ζ=0.01. The maximum VIV amplitude will decrease with the increase of structural damping, but the velocity regime of VIV remains unchanged.Key words: bridge engineering; twin-cylinders bridge pier; vortex-induced vibrations; fluid-structure interaction;three-dimensional effect西藏达林大桥是一座横跨雅鲁藏布江，跨径布置为35 m+5×30 m+35 m的钢筋混凝土桥梁，下部结构采用双圆柱桥墩。
桩-桶基础抗拔承载力分析
一
第一作者简介： 刘文白（ ９５ ） 男， １５一 ， 上海海事大学 教授 ， 博士， 主要从 事岩土工程和港 口结构 ． ￣ Ａ 面 的教 学与研 究 工作 。 ｚｇ－ － － 上海 市 重点 学科 科研 项 目资助 。
桶 基础 是一 种新 型 的 基 础形 式 ， 于其 承 载 力 特 对
性 ， 内外研 究 的很 少 。本 文 仅 根 据 颗 粒 流数 值 模 国
拟 桩 一桶基础 的破 坏形 式 ， 确定 地基 土 的破 坏模 式 ，
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２０ ０ ６年 第 ３期
籀 要 根据新型基础一桩 一桶基础在上拔荷载作用下 的颗粒流 模拟试 验结果 ， 分析 了桩桶 基础在 上拔荷载 作用下 土体的
破坏过程 ， 并对颗 粒流模 拟试验的颗粒的破坏面进行拟合 ， 出桩桶基 础的上拔承载 力计算模 式。桩 一桶 基础的极 提
限上拔承载力 由破坏土体侧表面抗剪强度在竖 直方向 投影的集 合及其包 围土体土 重和桩 一桶 基础自 重组成 ， 建立 了桩 一 桶基础 的上 拔承 载力计算 公式 ， 分析 了上拔承载力影响因素。
出． 图 １） 如 ｄ
２ 土体在上拔荷载作 用下的破坏形态
土体在 上拔 荷载 作用 下土 中破裂 面 的开展 与形 成， 是研 究 土体在 上 拔 荷 载作 用 下 的破 坏 机 理 和计
于桶基 础沉 放 于海 底 的泥 砂 软 土 中 ， 础 的沉 降 和 基 水 平位 移 不 宜 控 制 。刘 文 白提 出 了新 型 的 复 合 基
基础 ， １９ 自 ９ ５年桶 形基 础 出现 以来 ， 投 资费用 低 、 其