复合荷载作用下混合裙式基础的数值模拟

复合荷载作用下混合裙式基础的数值模拟

孙明月王福临隋璐

（鲁东大学，山东烟台264000）

摘要：海洋地基受竖向、水平和弯矩(VHM)荷载的共同作用，因此，出现了不同的地基解决方案，除其他因素外，还取决于预期的负荷组合，本文详细研究了混合地基概念在不排水VHM荷载作用下的地基破坏机理和地基承载力。这个基础设计由一个有衬垫的衬垫和一个内部沉箱隔间组成，它提供了显著增加的水平承载力，而这通常在海洋中是至关重要的，并确定了增加弯矩承载力的关键影响因素。数值模拟研究了内沉箱舱几何形状的变化和土体抗剪强度剖面的变化。

关键词：组合荷载；衬垫基础；地基承载力；影响因素

1.前言

离岸结构的浅基础通常包括裙部，以提供海上环境负载所需的附加水平和力矩阻力，根据裙部L的长度和最终纵横比L/D(D为基础的直径）来确定最合适的基础，这些浅层基础被称为裙垫或桶形基础。与表层地基相比，裙部通常将荷载转移到更深，更强的土中，从而调动了更高的承载力，看似最简单的解决方式，例如，裙长的延长，可以直接满足水平承载力的要求，但同时也可能导致整体基础承载力的过度设计，考虑到除了钢重量的增加，还涉及地基结构的完整性，大直径的裙子需要大量的加劲肋，以防止裙部在安装过程中发生屈曲。

2.有限元模型

为了进行优化设计，本文对混合基础概念进行了设计，混合基础旨在提供额外的水平和弯矩承载能力，方法是优化所需钢材，并将与裙长和大直径相关的结构设计复杂性降至最低，它是由带有内部沉箱式（也可以被看作延伸的内裙）的裙垫组成，一般概念图如图一所示。

图一

2.1基角模型

这项研究试图量化内裙突出裙尖以下的边垫对混合地基的VHM承载能力的贡献，为此目的，建立一个带有中央圆形沉箱舱的圆形衬垫模型如图1所示。考虑到了六种几何变化，改变了内沉箱舱的直径和裙长，并概述了表1所示的尺寸和相关的纵横比。而且还列出了不同模型的命名，第一个数是指沉箱直径，第二个数字是指内裙长。所有混合底座(HFs)都有一个直径16米，裙子长度为2米的垫子。比如，HF9.2-6是指内隔间直径为9.2米，裙长为6米的混合地基。混合底脚建模为刚体，位移和载荷与单个参考点（RP）有关，在一个单独的小节中讨论了RP位置的选择。为了获得净地基承载力，在不受浮力影响的情况下，给裙部分配了与土相同的有效单位重量。将重力应用于整个数值模型。为了获得净承载力，基础的嵌入部分，即裙部，被赋予与土壤相同的有效单位重量。其余的基础被建模为失重。

几何名称

Dm

dm

Dc

dc

Dc/Dm

dc/Dc

Dc/Dm

Ac/Am

裙垫

16

2

-

-

-

-

-

-

HF7-4

16

2

7

4

0.25

0.57

0.4375

0.19

HF7-6

16

2

7

6

0.375

0.86

0.4375

0.19

HF7-8

16

2

7

8

0.5

1.14

0.4375

0.19

HF9.2-4

16

2

9.2

4

0.25

0.43

0.5750

0.33

HF9.2-6

16

2

9.2

6

0.375

0.65

0.5750

0.33

HF9.2-8

16

2

9.2

8

0.5

0.87

0.5750

0.33

表一

2.2土壤性质

土的模型是线性弹性的，完美的塑性材料，受Tresca破坏准则的控制。屈服应力由不排水抗剪强度确定。考虑了均匀和不均匀（随深度线性增加）未排水的土壤剪切强度分布。它们可以表示为：Su=Sum+kz，式中，Sum为泥线处的不排水抗剪强度，k为深度为z的抗剪强度梯度。研究了三种不同的不排水抗剪强度剖面：

1.土强度均匀，Su=3kpa。

2.轻度超固结土(LOC)，其SUM=3kpa和k=1.05kpa/m，这些数值是为反映互补离心机的目标抗剪强度而特别选取的，试验[9]计划进一步验证数值分析结果。约1kPa/m的剪切强度梯度与大多数深海区有关，其中海底装置可考虑。

3.基本固结(NC)剖面，SUM=0.1kPa，k=1.0kpa/m，由于数值原因需要较小的非零和值。与LOC土壤相比，NC土壤在水平荷载作用下，抗压强度剖面将突出不排水剪切强度的影响，这对破坏机理的影响最大。

表2概述了土的抗剪强度分布，以及本文其余部分所用的术语。计算结果以不排水抗剪强度为标准，详见下文。

土强度均匀

3

0

轻度固结

3

1.05

基本固结

0.1

1.0

将5.7kN/m3的有效单位重量（γ）分配给土壤，由于数值分析中使用的本构模型是弹塑性的，所以初始应力不影响土的阻力。假定刚度指数E/su=500为常数，泊松比为0.49。这两个值都是离心试验中高岭土的典型值。假设在Tresca材料中k0的选择不影响结果，但在其余的k0处的土压力的系数在此被假定为1。

2.3网格

所考虑的问题需要一个三维模型，尽管关于垂直平面的对称性(由于平面内的联合加载)允许半圆柱模型的离散化(图2).为了避免边界效应，土域与地基(宽度为7Dm，高度为6.25Dm，以Dm为裙径)的距离较远，如图2所示。侧面被限制水平移动，而基础是固定在所有三个平移自由度。

地基-土界面假定是粗糙的，最大允许剪应力等于土的不排水抗剪强度。拉伸应力允许在完全粘结界面处产生(在现场不排水的载荷下，通过瞬态吸力来调动抗拉强度),初始静应力是在输入中指定的，在加载应用之前的一个地球静止步骤中，重力作用于模型。

该模型已针对带有外裙板的基础已发布的解决方案进行了验证。由于应力集中，围绕裙部尖端需要网格细化。验证后，包括模型内的内裙板时采用了相同的啮合原理。在分析中使用了一阶六面体单元。

图二

2.4.参照点和成果正常化

将基础建模为刚体，以便使用静力学计算为一个点（参考点）确定的VHM容量。参考点处的不排水抗剪强度表示为Suo,用于表面地基或无限薄嵌板，结果可以用当地土壤非均质性KD/Suo来表示，尽管也可以针对嵌入式或小规模基础计算该特征参数,仅凭这些信息并不能完全描述这个问题，因为基础高宽比与抗剪强度剖面的结合决定了破坏机制。对于具有不同长度的外部和内部裙部的混合基础,整个几何形状以及内部踢脚板与基础直径和外裙板的相对尺寸以及土壤未排水抗剪强度分布影响FAI诱饵机理及地基承载力。

图3显示了这个参考点(RP)的位置。这是讨论混合基础VHM容量时使用的唯一RP位置，用于解释的相应参考强度，Suo，等于Sum。

2.5加载路径

在与VH(m=0)、VM(h=0)和HM(v=0)平面对应的二维截面中绘制了三维VHM容量表面。本研究的所有分析均采用位移控制探头试验。在这些试验中，垂直位移、水平位移和旋转位移按一定比例施加，直到破坏达到极限，即不再随着位移的增加而进一步增加荷载。

图三

3.结语

3.１单轴弯矩承载力

－－混合地基在单轴弯矩荷载作用下的总体趋势(定性和定量)与单轴竖向荷载下的结果相似。

－－与均匀强土上的单轴竖向荷载相似，在破坏机理不变的情况下，通过插入相对较短的内裙，弯矩保持不变。

－－在这里考虑的几何形状中，增加较长的裙子会使其容量增加10%(图15，表3)。在均匀土中，混合地基提供的弯矩能力类似于d/Ｄ(或B为宽度)的边带，不过，研究结果不应超出这项研究的范围

－－随着深度的增加，抗剪强度增加，弯矩承载力显著提高。对于本研究中考虑的LOC强度分布，混合地基HF9.2-8的弯矩承载力比单用衬垫提高45%,在不均匀的土中，相同长径比的桶形基础只比圆形混合地基的弯矩承载力略高。一般情况下，圆形几何结构的弯矩承载力高于可比较的踢脚板条形基础的弯矩承载力。

参考文献

[1]李大勇，冯凌云，张雨坤，等．饱和细砂中裙式吸力基础水平单调加载模型试验———承载力及变形分析[J].岩土工程学报，2013，35(11):2030-2037

[2]BienenB，GaudinC，CassidyMJ，etal．Numericalmodellingofahybridskirtedfoundationundercombinedloading[J].ComputersandGeotechnics，2012，45:127-139

[3]施晓春，龚晓南，徐日庆.水平荷载作用下桶形基础性状的数值分析[J].中国公路学报，2002，15(4):49-52

[4]李大勇，都浩，孙宗军，等.海底裙式吸力锚:中国，ZL200920239914．8[P].2010-05-12.

作者简介：孙明月（1996.10-），女，山东省德州人，烟台市芝罘区鲁东大学土木工程专业，研究生；

王福临（1996.06-），男，山东省枣庄人，烟台市芝罘区鲁东大学土木工程专业，研究生；

隋璐（1995.11-），女，山东省烟台人，西安市雁塔区长安大学建筑工程专业，研究生。