软土地基上吸入式组合桩的承载力特性

摘要

目前我国的海洋平台主要集中在浅海区域，基本采用重力式平台、张力腿式平台等传统平台结构，主要承受水平向的风力荷载、波浪荷载和竖直向下的荷载。随着石油、天然气等海洋资源的日益开采，海洋工程不断的向深海推进，与浅海相比，深海存在大量饱和软粘土地基，对于平台结构而言主要承受的荷载类型不再是竖直向下的荷载，而是上拔荷载和水平荷载。由于持力层软弱，施工困难等因素以受压为主的传统海洋平台结构和地基基础形式已经不再适用，半潜式结构、大型浮式结构逐渐被推广应用，大型结构的锚固问题给海洋工程带来新的挑战。近几年一种新型的海洋平台基础形式吸入式桩正在被国内外学者研究，它适用于软粘土地基并有制作运输安装方便、工程造价低、可重复使用等优点，尤其具有较好的抗拉承载力和稳定性，这些特点使得吸入式桩成为深海平台优选的基础形式。吸入式桩有两种形式，一种是吸入式单桩，另一种是在吸入式单桩基础上，由三桩组合而成的吸入式组合桩。目前的研究主要集中在吸入式单桩，随着开采活动进一步向深海推进，对于单桩承载力的要求不断提高，设计尺寸不断加大，这给吸入式单桩的制造、运输和安装带来很多困难，为了最大程度的提高承载力降低成本，需要对吸入式组合桩的承载力特性进行进一步深入研究。本文通过大型有限元计算软件ABAQUS对吸入式单桩和吸入式组合桩在静力荷载下的承载力特性进行对比分析，探讨吸入式组合桩的承载力优势。论文的主要研究内容包括:
　　基于大型有限元分析软件ABAQUS，建立了静力荷载条件下饱和软粘土上吸入式组合桩的有限元计算模型。根据有限元分析，当缓慢施加竖直上拔荷载分量时，吸入式组合桩发生局部剪切破坏，桩与土体发生分离，桩体被单独拔出，土塞留在桩外;当快速施加竖直上拔荷载分量时，吸入式组合桩发生整体剪切破坏，桩体内部产生负压，桩内土塞与桩底土体随着桩体一起向上拔出。与吸入式单桩相比，吸入式组合桩在竖直上拔荷载作用下的承载力没有明显的提升。
　　当对吸入式组合桩施加水平荷载分量并考虑主动侧土体裂缝时，组合桩由于多桩效应桩前土体挤压隆起形成被动侧破坏楔体，桩后界面与主动侧土体并没有形成裂缝，同样形成了楔形土体变形区域;当不考虑主动侧土体裂缝时，吸入式组合桩发生双面破坏机制，在桩前形成被动侧破坏楔体，桩后主动侧土体同样形成破坏楔体，三桩中心区域形成圆弧形的旋转破坏面。与吸入式单桩相比，在水平荷载分量作用下，吸入式组合桩承载力有大幅度的增强，土体变形更加均匀，具有明显的优势。
　　通过变动参数分析，探讨了静力加载条件下，吸入式组合桩荷载作用位置、荷载作用角度对吸入式组合桩极限承载力的影响。计算表明，吸入式组合桩的极限承载力随着荷载作用点由桩头向桩底移动，呈抛物线式先增大后减少;承载力随着荷载作用角度减少而增大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 背景介绍

1．2 吸入式桩的发展现状

1．2．1 吸入式桩简介

1．2．2 吸入式桩的安装过程

1．2．3 吸入式桩发展历史

1．2．4 吸入式桩研究历史

1．3 论文的主要内容

第二章 吸入式组合桩模型分析

2．1 破坏机理分析

2．1．1 吸入式桩在竖直上拔荷载作用下的破坏模式

2．1．2 吸入式桩在水平荷载作用下的破坏模式

2．2 土体变形的弹塑性模型

2．3 有限元数值分析

2．3．1 ABAQUS简介

2．3．2 ABAQUS对非线性问题的求解方法

2．3．3 接触问题的处理

2．4 承载力的确定

2．5 模型的建立

2．5．1 吸入式组合桩有限元计算模型

2．5．2 模型参数的选择

2．5．3 网格划分与设置

2．5．4 荷载与边界条件的处理

2．6 小结

第三章 静荷载作用下吸入式组合桩的承载力特性

3．1 吸入式组合桩在竖直上拔荷载作用下的承载力

3．1．1 不同破坏机制下吸入式组合桩抗拔承载力

3．1．2 排水条件下吸入式组合桩的抗拔承载力

3．1．3 不排水条件下吸入式组合桩的抗拔承载力

3．2 吸入式组合桩在水平荷载作用下的承载力

3．2．1 概述

3．2．2 考虑裂缝的水平极限承载力

3．2．3 不考虑裂缝的水平极限承载力

3．3 吸入式组合桩破坏包络线

3．4 小结

第四章 吸入式组合桩承载力影响因素

4．1 荷载作用点位置和作用角度对吸入式组合桩承载力的影响

4．2 小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文