浅谈软土地基上深埋式大圆筒结构稳定性研究

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1、大连理工大学博士学位论文软土地基上深埋式大圆筒结构稳定性研究姓名：范庆来申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：栾茂田20061001摘要随着海洋资源与海洋空问的开益开发、利用及港u、航道工程的迅速发展，工程上不町避免地遇到了人量的深厚软土等不良地基。在这种小良地基上，传统的重力式结构、桩基基础等由于缺乏合适的持力层，从而需要大面积换填土或者加大桩基的埋深，因此导致高昂的工程造价，不再成为工程设计的优选方案。而深埋式人圆筒结构是我国近年来引入并推广应用的一种新型的港口、海洋结构形式，比较适宜于软土地基和恶劣的海洋环境，而月具有造价低、rT期短等优势。随着我国的深水港口与航道治呼T程

2、及海洋事业的快速发展，特别是在深厚软土地基上，此类结构将具有比较广阔的应用前景。然而，由于深埋式大圆筒结构在T作机理上既不同于传统的重力式结构，也不同于桩基结构，对于其特殊的受力条件、结构与地基之间复杂的相互作用机制、在静力与动力组合加载条件下失稳机理与破坏模式及承载力计算方法等方面，日前尚缺乏广泛认可的理论体系与计算方法，还处于半经验半理论的非常不成熟阶段，设计理论远远落后于工程实践，因此亟需开展深入而系统的理论分析与数值计算等方丽的综合研究，发展和完善深厚软土地基上深埋式大圆筒结构的有关设计理论体系与计算方法。为此，本文围绕波浪循环荷载作用下软基上深埋式大圆筒结构的失稳模式与工作

3、性能等方面进行了比较系统而深入的探索，论文的主要研究工作包括下列方面：1．在大型通用有限元分析软件ABAQUS平台上，建立了单调加载条件下软土地基上深埋式大圆筒结构的有限元计算模型。采用先进的摩擦接触算法来模拟筒．土之间界面上的复杂力学行为，建立了考虑筒外界面与土体之间可能产生裂缝与不考虑筒外界面与土体之间的裂缝的两种有限元计算模型，同时考虑了筒内侧、筒底界面与临近土体之间的摩擦接触特性，克服了通常有限元分析中没有考虑筒外界面与土体之间可能产生裂缝或者没有考虑筒内侧界面与筒内土体界面上摩擦接触特性的缺点，较全面而合理地反映了结构与土体之间的相互作用机制。根据有限元分析，可以发现软土地

4、基上深埋式大圆筒结构的失稳破坏机制为绕着泥面以下、筒底以上某点发生整体转动而倾覆破坏，这明显不同于传统的重力式结构或者桩皋结构。根据破坏时筒十之问是否形成裂缝，将大圆筒结构失稳破坏机制分为单面破坏模式和双面破坏模式，在双面破坏模式中，筒前、筒后各有一个破坏楔体，而在单面破坏模式中，仅存筒前有一个被动破坏楔体。进而采用基于Hill各向异性屈服准则的理想弹塑性本构模型，考察了软土地基不排水强度的各向异千聿对丁-深埋式丈圆筒结构承载力的影响。通过变动参数研究表明：当软土地基的三轴拉伸抗剪强度较低时，不考虑土的强度的各向异性可能导致结构分析偏于不安全。在深埋式人圆筒结构的几何形状及软土地基强

5、度分确给定的情况下，由单面破坏模式所得到的承载力一般比由双面破坏模式所得到的承载力有所降低。通过二次开发，探讨了不排水强度及变形模量随着深度线性增长的非均质软土地基上深埋式大圆筒结构失稳模式，结果表明：对于jF均质超固结土层，筒后外侧界面与土体之间比较容易形成裂缝，导致大网筒结构承载力的降低，而对于止常固结土或者弱超同结土层，筒后外侧界面与土体之间一般不会形成裂缝。从而考虑裂缝与否对于承载力影响较小。，将有限元分析所得到的承载力及其土压力分布规律与已有的一些模型实验进行了定量或定性比较，南此验证了本文所建议的有限元模型及有限元计算结采的合理性。同时表明，根据有限元计算所得到的软基上深

6、埋式大圆筒结构失稳破坏机制与模型试验比较一致。2．在由有限元计算分析所得到的软土地基上深埋式大圆筒结构失稳模式的基础上，提出了大圆筒结构水平承载力的改进三维极限分析．上限解法。根据有限元分析所得到的软土地基上深埋式大圆筒结构失稳模式，在上限极限分析中对失稳破坏机制采用下述假定：大圆筒结构绕简体内中轴线上菜点发牛刚体转动倾覆失稳，靠近泥面附近的浅层土体内形成潜在破坏楔体，而筒底部形成球形滑裂面，从而避免了Murff-Hamilton失稳机制中深层土体水平运动模式与整个体系旋转运动模式刁i协调的缺点。以此为基础，基于塑性极限分析原理，并考虑软土地基不排水抗剪强度的各向异性效应，建立了一种

7、改进的三维极限分析上限解法。根据加载过程中筒后主动侧土体与筒体之间界面的脱离或黏结等两种不同的接触状态，将可能的破坏机制划分为仅在筒前被动侧形成楔体破坏的单面破坏机制与在筒后主动侧和筒前被动侧均形成楔体破坏的双面破坏机制。将改进极限分析上限解法所得到的水平极限承载力及旋转中心的深度与有限元分析、极限平衡计算方法所得到的相应结果进行了对比。根据对比结果的一致性，验证了本文所建议的改进极限分析上限解法的合理性。进而通过变动参数对比分析，探讨了硒固结条件下软黏土