倾斜单调荷载作用下分层土中裙式吸力基础抗拔承载特性数值分析

摘要

随着海上风电及油气开采逐渐向深海水域发展，新型深海浮式平台及基础得到了广泛应用。吸力基础作为一种新型海洋工程基础形式，具有抗倾覆能力强、造价成本低、安装施工快捷简单及基础可重复利用等优点，广泛用作深海浮式平台基础及系泊海洋浮动式结构。裙式吸力基础是传统吸力基础的改进形式，即在传统吸力基础上增加一个“裙结构”，相较于传统吸力基础，其具有更高的水平及竖向承载力。当裙式吸力基础作为深海浮式平台基础时，其所受主控荷载为系泊锚链传递荷载。采用数值模拟与室内模型试验相结合的方法，研究了分层土和饱和砂土中传统吸力基础及裙式吸力基础在倾斜单调荷载作用下的抗拔承载特性，分析了基础的荷载-位移关系曲线、基础周围土体变形规律和转动点规律。主要结论如下：
　　（1）研究了传统吸力基础在不同荷载作用点及不同荷载作用角度下的抗拔承载特性。研究表明：传统吸力基础的抗拔承载力随荷载作用点深度的增加呈现先增大后减小的趋势。倾斜单调荷载作用下，分层土中传统吸力基础最佳荷载作用点位于3L/4桶高处，荷载作用角度与传统吸力基础的抗拔承载力成反比。且随着荷载作用角度的增大，土体的变形范围逐渐减小。
　　（2）探讨了荷载作用点、作用角度及基础尺寸对裙式吸力基础抗拔承载特性的影响。研究发现：裙式吸力基础的抗拔承载力与荷载作用角度成反比，最佳荷载作用点位于L/2与3L/4桶高之间。荷载作用点沿主桶深度变化时，基础破坏方式由沿加载方向侧倾斜转动破坏逐渐变为沿加载方向相反方向倾斜转动破坏。裙式吸力基础抗拔承载力与裙结构尺寸成正比，与传统吸力基础工况相比较，裙式吸力基础抗拔承载力最大增幅为37.7%。在分层土中吸力基础抗拔承载力与长径比成正比，相较于长径比为2∶1的裙式吸力基础，主桶长径比为5∶1的裙式吸力基础抗拔承载力提升1.1倍。
　　（3）分析了土体参数对传统吸力基础与裙式吸力基础抗拔承载特性的影响。研究表明：吸力基础的抗拔承载力受土体参数影响较大，在饱和砂土中吸力基础承载力最高，在饱和黏性土中承载力最低。相较于上部土层为饱和黏性土时，当上部土层为饱和砂土时能提供吸力基础更大抗拔承载力。荷载作用角度为30°时，裙式吸力基础在饱和黏性土中的抗拔承载力较传统吸力基础提升54%，在饱和砂土中较传统吸力基础提升42%。相较于上部土层为饱和黏性土时，上部土层为饱和砂土时基础周围土体隆起最大高度值更大。
　　（4）研究了加载速度对吸力基础抗拔承载特性的影响以及基础顶端被动吸力变化规律。研究发现：基础极限被动吸力与加载速度成正比，且随着加载速度的增大，基础达到极限被动吸力时对应的位移也增大。加载速度与基础极限承载力成正比，不同加载速度下，基础极限承载力最大提高了1.92倍。荷载作用角度与基础达到极限承载力时对应的位移成反比。不同荷载作用角度下，基础的极限承载力最大提高了3.06倍。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 国内外海上风电发展现状

1.1.2 国内外海上油气开采发展现状

1.1.3 海洋工程基础形式

1.2 吸力基础承载特性研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 裙式吸力基础研究现状

1.3 研究内容及创新点

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究创新点

2 传统吸力基础抗拔承载特性研究

2.1 吸力基础及土体参数确定

2.2 分层土中传统吸力基础抗拔承载特性研究

2.2.1 荷载作用点及角度对传统吸力基础承载力的影响

2.3 传统吸力基础周围土体变形及转动点规律分析

2.3.1 传统吸力基础周围土体变形分析

2.3.2 传统吸力基础转动点规律

2.4 小结

3 裙式吸力基础抗拔承载特性研究

3.1 荷载作用角度对吸力基础抗拔承载特性的影响

3.1.1 荷载作用角度对吸力基础抗拔承载力的影响

3.1.2 荷载作用角度对吸力基础周围土体变形范围的影响

3.2 荷载作用点对吸力基础抗拔承载特性的影响

3.2.1 荷载作用点对吸力基础抗拔承载力的影响

3.2.2 荷载作用点对吸力基础周围土体变形范围的影响

3.3 裙式吸力基础转动点规律

3.4 裙结构对吸力基础抗拔承载特性的影响

3.4.1 裙结构对吸力基础抗拔承载力的影响

3.4.2 裙结构对吸力基础周围土体变形范围的影响

3.5 长径比对裙式吸力基础抗拔承载特性的影响

3.5.1 长径比对裙式吸力基础抗拔承载力的影响

3.5.2 长径比对吸力基础周围土体变形范围的影响

3.6 小结

4 土体参数变化对基础抗拔承载特性的影响

4.1 土体参数变化对传统吸力基础抗拔承载特性的影响

4.1.1 土体参数变化对传统吸力基础抗拔承载力的影响

4.1.2 传统吸力基础周围土体变形分析

4.2 土体参数变化对裙式吸力基础抗拔承载特性的影响

4.2.1 土体参数变化对裙式吸力基础抗拔承载力的影响

4.2.2 裙式吸力基础与传统吸力基础抗拔承载力对比

4.2.3 裙式吸力基础周围土体变形分析

4.3 小结

5 裙式吸力基础抗拔模型试验研究

5.1 室内模型试验系统

5.2 吸力基础倾斜抗拔承载力试验

5.3 试验结果与分析

5.4 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间主要成果

致 谢