联合载荷作用下不排水桩靴的承载能力概要.docx

中国海洋工程，第25卷，第一期，15-30页 2011年中国海洋工程协会和柏林海德堡斯普林格出版社 文件编号：10.1007/s13344-001-0002-0 联合载荷作用下不排水桩靴的承载能力 王立忠，舒恒，李玲玲，国振 浙江大学土木工程与建筑学院，中国，杭州，301158 中国城市建设控股集团第二高速公路顾问有限公司，中国，武汉430056 (12月23日收到2009年12月23日收到初版；2010年8月17日收到修改版本，2010年9月27日接受) 摘 要 采用一系列的三维有限元分析方法研究仅在垂向、水平、弯矩力分别单独作用、三种力两两联合作用、三种力联合作用下桩靴的极限承载能力。详细研究了埋置率和土壤非均质程度对承载能力的影响。桩靴在不同载荷单独作用时承载能力用无量刚的承载能力系数表示，并与已发表的论文结果做对比。组合载荷作用下的桩靴极限承载能力由无量纲化的和标准化后的破坏包络线呈现。论文所得的破坏包络线和已发表的论文结果之间的比较说明了土壤的埋置率和非均质情况决定了破坏包络线的大小和形状。 关键词：软质粘土；桩靴；承载能力；联合载荷；有限元 第一章 介绍 自升式海洋平台由于其在油田开发的低成本、良好的操纵性、生产的高效性和作业区域的灵活性而广泛应用于离岸油气的开发，尤其是边缘油田。典型的自升式海洋平台包括上部主体、桩腿、桩靴，上部的主体由三根相互独立的桁架式桩腿支撑，每一根桩腿又支撑在倒锥形的结构上，成为桩靴。图1b所示为一桩靴的典型结构，近似为圆形，直径达20米。挪威船级社提出，对于固结软粘土和非固结软粘土等土壤，由于土壤失效造成的位移很大，所以桩基础的承载能力的预测难度将会很大。在这些土壤情况下，最初的土壤失效都应当认定为地基稳定性的失效。在生命周期中，桩靴基础将经受垂直、水平、和倾覆力矩载荷的作用，这些载荷主要由平台的自重和环境载荷造成。为了预测自升式海洋平台的状态，必须充分研究在各种联合载荷作用下桩靴基础的响应情况。在海洋工业界，海森（1970）、威斯克（1975）提出的传统承载能力理论在海洋岩土工程中应用较为广泛。 近几十年来数值分析已被越来越多的研究者认同，尤其是不排水离岸浅滩基础的极限 承载能力。已知的关于数值分析的文章，大多局限于垂直承载力或安装过程的载荷(胡锦涛和兰多夫，1998；侯赛因等人，2004；侯赛因，2004)，组合载荷作用下的承载能力研究较少。此外，海洋沉积物通常是非均质的，抗剪强度会随深度增加。非均匀粘土基础在垂直载荷作用下的承载能力研究(Davis和Booker，1973；Houlsby和Wroth，1983；Kusakabe等人)较为广泛。然而直到现在，组合载况下的承载能力研究依然很少，并且也仅仅限于长条状和圆形的桩基础(Bransby和兰多夫，1998；Taiebat和卡特，2000；Gourvenec和兰多夫，2003)。即使对于长条形的桩靴基础，倾斜和偏心载荷作用下的承载能力理论依然不可靠，抗剪强度随深度增加的地基土壤承载能力(Ukritchon等人，1998；Gourvenec和Randolph，2003)结果偏小。在联合载荷作用下的桩靴基础极限承载能力可以由位于V-H-M载荷空间破坏包络线很好的呈现(Roscoe和Schofield，1957；Bransby和Randolph，1998；Taiebat和Carter，2000；Gourvenec and Randolph，2003；Gourvenec，2007、2008)。在不考虑埋置率的情况下，破坏包络线将会有相似的形状的猜想被广泛提出(Martin 1994；Bransby和Randolph，1994)。 在埋置支撑点的设计参考规范中指出，地基表面的破坏包络线会因为深度因子的不同扩大或缩小。同时，由于水平和弯曲方向载荷的相互作用，实际工程中破坏包络线也是不同的。为了研究上述猜想的合理性以及深度因子的具体影响机理，研究人员利用有限元的方法探索桩靴基础破坏包络线的形状尺寸与一系列埋置率的关系，这项研究已经利用商业有限元软件ABAQUS开展。 桩靴基础仅受垂向力或水平力或弯矩时的承载能力研究已经很充分；在V-H、V-M、H-M和V-H-M联合荷载作用下，利用无量纲化和规范化的破坏包络线进行的研究也已经成熟。此外，研究对不同的埋置率和地基土壤的匀质性造成的不同的破坏包络线也做了充分的比较，所得的结论有利用桩靴的设计和安装。 第二章 有限元模型和分析方法 2.1 几何和材料参数 如图2所示，研究中采用直径为D的埋置式圆形桩靴。在软海床上，桩靴基础可能刺入土壤中长达1-2倍的桩靴直径，因此假设有充分的土壤回流。有限元模型中忽略了桩腿，这会带来一些简化并且在设计中会留有一定的安全余量。 环境载荷持续时间的很