桶形基础承载力特性研究

    吸力式桶形基础是近年来正在开发的一种新型海洋平台基础,其形状像一个倒扣的圆桶。在"十?五"期间,我们课题组争取到海洋石油总公司与中科院针对这种新型基础的联合支持。桶形基础在受到动载(如动冰载、波浪载荷)作用后,与地基相互作用;地基在动载下将产生液化或软化,承载力降低,导致桶形基础变形甚至失稳。这是一个涉及动态渗流和土体液化和软化的复杂的结构与土体的相互问题。目前在海洋平台基础承载力特性研究方面,主要获得了如下的成果.

实验方面

  1. 在国内首次研制并建成用于高速离心上承受加速度150g的静、动力加载系统(图11)。该系统除了可以分别提供静、动载荷,还可以提供在静载荷基础上施加的动载荷,可以提供的动载荷具有高频(最大频率200Hz)、大载荷幅值(最大输出力200N)、体积小和自重轻(直径15cm,长度18cm,自重15kg。)的特点,以满足离心机实验的要求。同时研制了多通道的孔压、变形和力的多种类实验数据测量系统以及模型箱。加载系统、测量系统和模型箱构成一套离心机实验系统,并很好地用于桶形基础承载力实验。后来多家单位(天津大学、中国军事医学科学院、广东某企业)来咨询并请我们为其加工这类系统。另外,研制了用于土性实验的静动三轴仪、改造了原有的固结仪、测量设备等,形成了整套的从土性实验到不同尺度模型实验的系列装置。
  2. 用自行研制的离心机实验系统在国内率先开展了系列的桶形基础静、动载离心机实验(图1),在国内首次得到了动载下桶形基础承载力的一些关键特性和数据,如桶基周围土体在动冰载荷下的响应可以分解初期和后期阶段,初期只有明显的孔压增长直到液化,后期才有明显的变形伴随孔压消散;长时间动载荷下存在一个有限的影响区和沉降(图2)。同时给出了影响区特征尺度和发展到液化所需的特征时间的估算方法,为工程设计提供了定量的依据,主要特征参数是:在设计条件下(渤海工况)变形区约为桶深的一倍;液化区发生在上部近0.4倍桶深;沉降量约为桶深的14%;承载能力降低约20%;地基的液化临界应力比为15%。
  3. 提出了新的离心机渗流模拟方法,可以不换材料,而采用对实验结果进行小参数修正的办法。

理论分析和数值模拟方面

  1. 提出了基于摄动理论的桶形基础动载响应分析方法,使得工程设计有了实用的理论分析工具,用该方法获得了在高频外载作用和零阶近似条件下渗流效应可忽略的结论,为简化实验和分析提供了依据。
  2. 建立了桶形基础静、动承载力的分析软件系统。

工程应用方面

  1. 得到了分析桶形基础承载力的整套方法,其中包括:土工地质调查、实验方案、计算模拟、承载力分析等;
  2. 上述研究结果已经用于实际工程,包括为长江口防波堤大圆筒安全性评估、渤海JZ-93桶形基础平台承载力分析、用于风电塔的桶形基础设计。
(a) 电磁式(200Hz、力峰值20kg) (b) 电液式20Hz、力峰值600kg)
图1 离心机用静/动力加载设备
(a)  实验后土体表面观测到的环状裂纹 (b) 土体沉陷随载荷幅值的变化
(c) 最大超静孔压沿深度分布(重复实验数据) (d) 孔压的时程变化
图 2  桶形基础动承载力离心机实验结果