纺锤形桩靴基础在双层地基中的穿透破坏特性试验研究

摘要

随着海洋石油、天然气资源的开采，自升式海洋平台的应用日趋普遍。自升式海洋平台结构的支撑体系为位于平台底部三个相互独立的桩腿，每根桩腿靠独立的纺锤形桩靴基础支撑在海床上。海洋平台的安全性能与纺锤基础的承载力有着直接的联系，因此对纺锤基础承载特性的研究受到越来越多学者的关注。海洋地基通常由砂土覆盖黏土双层地基组成。纺锤基础在此类地基中，当上部荷载超过临界值时，基础快速刺入下部黏土层，发生穿透破坏。穿透破坏发生时间很短，可引起海洋平台的倾覆，造成巨大的经济损失。因此研究纺锤形桩靴基础在此种地基形式下的贯入特性至关重要。本文在总结以往学者研究成果的基础上，进行了多组物理模型试验，研究了砂土地基、砂土覆盖黏土层地基形式中纺锤基础的贯入特性。本文开展的主要研究工作如下:
　　(1)砂土地基模型的制备:模型试验中，砂雨法为最常用的成样方法。常规砂雨法能制备出中密、密实状态的砂样，松散砂样的制备较为困难。为获得相对密实度范围更大的砂样，利用自主研发的撒砂装置，在讨论常规影响因素如流量、落距等的基础上进一步研究了出砂头移动速度、筛网层数、出砂头移动路径等因素对砂样相对密实度的影响。通过改变这些控制因素制出了松散状态的砂样。分别通过不同大小的圆盒与CPT方法对砂样的均匀性进行检测，检测结果表明，制备出的砂样均匀性较好。分析对比不同的均匀性检测方法，圆盒检测方法简单易操作，但检测结果误差较大;CPT方法较为可靠。
　　(2)砂土地基中的物理模型试验:在进行上砂下黏双层地基中的离心贯入试验之前，首先进行了多组1g室内与离心状态下的贯入试验。研究了砂土地基中砂土相对密实度、基础直径、基础形式对贯入特性的影响。结果表明，随着砂土相对密实度及基础直径的增大，贯入阻力增大。1g试验中观测了基础贯入过程中的土表位移变化，给出了贯入时的影响范围大小。
　　(3)纺锤形桩靴基础在上砂下黏双层地基中易发生穿透破坏。在砂土地基贯入试验的基础上进行了多组上砂下黏双层地基中的离心模型试验。研究了基础直径、砂层的相对密实度、黏土层不排水抗剪强度、砂层相对厚度、加载方式等因素对贯入特性的影响。在此基础上探讨了应力控制加载模式下基础的刺穿破坏速率。结果表明:砂层相对厚度、基础直径、黏土层强度是影响峰值贯入应力的关键因素。应力控制加载条件下，基础发生穿透破坏的速率较大，历时较短，且黏土层强度越低，破坏时的刺穿速率越大。不同的加载方式下，基础的贯入特性曲线并无显著差异。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 自升式海洋平台

1．3 基础的破坏形式

2 国内外研究现状

2．1 理论计算法

2．1．1 投影面积法

2．1．2 刺入剪切法

2．1．3 其他学者的方法

2．2 数值方法

2．3 离心试验方法

2．4 本文研究内容

3 土工离心模型试验原理及设备介绍

3．1 土工离心模型试验的基本原理

3．2 离心模型试验误差分析

3．2．1 相似比误差

3．2．2 离心机启动和制动误差

3．2．3 不均匀加速度场

3．3 试验设备

3．3．1 土工鼓式离心机

3．3．2 加载设备

3．3．3 信号采集设备

3．3．4 量测设备

本章小结

4 模型地基的制备

4．1 砂土模型地基的制备

4．1．1 试验材料及设备

4．1．2 出砂头移动路径

4．1．3 最佳移动路径的确定

4．1．4 出砂头移动速度对相对密实度的影响

4．1．5 松散砂样的制备

4．1．6 不同均匀性检测方法的对比

4．2 上砂下黏模型地基的制备

4．2．1 泥浆的制备

4．2．2 土样的固结

本章小结

5 纺锤形桩靴基础在砂土地基中承载力研究

5．1 试验方案

5．2 试验设备

5．3 试验步骤

5．3．1 1g室内试验步骤

5．3．2 离心试验步骤

5．4 试验结果分析

5．4．1 砂土地基的1g试验结果

5．4．2 砂土地基的离心试验结果

本章小结

6 纺锤形桩靴基础在上砂下黏双层地基中承载力研究

6．1 试验方案

6．2 试验设备

6．2．1 力控加载设备

6．2．2 黏土强度测试仪器

6．3 试验步骤

6．4 试验结果分析

6．4．1 砂层松散状态下的纺锤形桩靴基础的贯入特性

6．4．2 砂层相对密度对贯入特性的影响

6．4．3 黏土层强度值对贯入特性的影响

6．4．4 薄层砂的贯入特性

6．4．5 加载方式对贯入特性的影响

6．4．6 贯入特性

6．5 黏土层不排水抗剪强度测试方法的讨论

6．5．1 强度测试仪的标定

6．5．2 不同强度测试仪器的对比

6．5．3 不同强度测试方法的对比

本章小结

7 结论和展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢