循环荷载作用下张紧式吸力锚基础变形与承载力分析方法研究.pdf

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1、循环荷载作用下张紧式吸力锚基础变形与承载力分析方法研究StudyofAnalysisMethodsofDeformationandBearingCapacityforSuctionAnchorwithTautMooringSystemsunderCyclicLoads一级学科：土木工程学科专业：岩土工程研究生：李书兆指导老师：王建华教授天津大学建筑工程学院二零一四年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写

2、过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字

3、日期：年月日签字日期：年月日摘要张紧式吸力锚是一种重要的深水海洋浮式平台锚固基础。本文针对静荷载与循环荷载共同作用下软土中张紧式吸力锚的变形失稳过程以及承载力的评价方法进行了研究，包括以下几个方面工作：依据等效粘弹性理论和蠕变理论，建立了一种能够描述饱和软粘土不排水循环变形和循环累积变形的拟动力粘弹塑性本构模型，该模型包括三个基本参数：循环剪切模量、阻尼比以及八面体循环累积剪应变增量。依据等效粘弹性关系描述土单元的循环应力应变响应，依据蠕变关系描述土单元的循环累积应变响应。通过饱和软粘土不排水静三轴压缩试验和静应力与循

4、环应力共同作用下的不排水三轴压缩试验，研究了拟动力粘弹塑性本构模型中参数的变化关系，得出：不同初始应力状态下，土单元循环剪切模量和阻尼比与八面体循环剪应变之间基本遵循同一变化关系，可以依据无静偏应力作用下的三轴试验确定循环剪切模量和阻尼比随八面体循环剪应变的变化关系。利用循环三轴压缩试验确定的模型参数变化关系预测循环三轴伸长试验和循环扭剪试验的结果，并将预测结果与试验结果进行了比较，结果显示：土单元循环剪切模量和阻尼比的试验结果与预测结果基本吻合；三轴伸长试验得到的八面体循环累积剪应变随循环次数变化的预测结果与试验结果

5、基本一致；无轴向偏应力的循环扭剪试验得到八面体累积剪应变随应力循环次数变化的预测与试验结果比较吻合。这些结果在一定程度上说明了拟动力粘弹塑性本构模型对描述不同应力状态下土单元循环应力应变响应的适用性。依据循环三轴压缩试验结果，建立了软粘土不排水循环强度随平均应力的变化关系。据此预测循环三轴伸长试验确定的循环强度，得到了与试验值一致的结果。进一步，研究了利用拟动力粘弹塑性本构模型分析静荷载与循环荷载共同作用下吸力锚变形失稳过程的拟动力粘弹塑性有限元方法。包括：利用ABAQUS有限元软件接口程序将拟动力粘弹塑性本构模型嵌入

6、到有限元软件中，利用Matlab语言编制了用于循环累积变形分析的程序，利用Python语言编制了连接动力迭代计算与循环累积变形计算的脚本程序，最终在ABAQUS环境中实现了通过跟踪循环荷载历史计算软土中吸力锚的循环变形和循环累积变形。采用拟动力粘弹塑有限元方法，对静荷载与循环荷载共同作用下的吸力锚模型试验结果进行预测，并与模型试验结果进行了比较。比较结果显示：对于预测竖向破坏模式的吸力锚模型试验结果，计算得到的锚循环变形比模型试验结果偏小，循环累积变形随循环荷载作用次数的变化趋势与模型试验结果基本一致。对预测水平破坏模

7、式的模型试验结果，将剪切模量降低30%进行等效粘弹性动力迭代计算，计算出的循环变形比模型试验结果偏小；计算出的累积变形随荷载循环次数的变化趋势与模型试验结果相比有一定差别；循环荷载作用初期，计算出的循环累积变形大于模型试验结果，随循环荷载作用次数增加，计算出的循环累积变形增量与模型试验结果相比偏小。依据在最佳受荷点受力的张紧式吸力锚破坏模式，研究了利用软粘土不排水循环强度，确定软土中张紧式吸力锚在静荷载与循环荷载共同作用下不排水承载力的极限平衡分析方法。提出了两种确定不同破坏区土体的平均剪应力，进而确定软粘土不排水循环

8、强度的方法，最后通过极限平衡分析确定吸力锚的循环承载力。为验证该方法的可行性，对模型试验结果进行了预测，结果显示：预测结果与模型试验结果的平均偏差低于10%，两者较为吻合。最后，还研究了利用软粘土不排水循环强度，采用拟静力弹塑性有限元分析方法确定静荷载与循环荷载共同作用下张紧式吸力锚的承载力。将计算结果与模型试验结果进行了比较，结