循环荷载作用下软土中锚固基础变形过程拟动力算法研究

摘要

深海环境中锚固基础不仅承受上部结构产生的工作静荷载，还要承受风、浪等通过张紧锚索传来的循环荷载。本文利用拟动力粘弹塑性模型，针对工作静荷载和循环荷载共同作用下软粘土中锚固基础位移循环累积过程的拟动力有限元计算方法进行了研究，包括以下几个方面：
　　利用ABAQUS有限元软件的用户自定义材料子程序UMAT，将等效粘弹性本构嵌入ABAQUS增量求解主程序中，考虑循环荷载作用历史的影响，结合等效线性算法反映循环荷载作用下软粘土不排水循环应力应变响应。针对动力响应分析中土单元八面体剪应变时程曲线有无上翻的情况，确定土单元的八面体循环剪应变，克服了土单元八面体剪应变时程曲线因上翻而导致其八面体循环剪应变计算不准确的问题。结合蠕变理论描述土单元的应变循环累积响应，形成一种不通过详细追踪土单元循环应力应变时程即可分析工作静荷载和循环动力荷载共同作用下饱和软粘土中锚固基础位移发展过程的拟动力增量粘弹塑性有限元算法。
　　通过编制的脚本程序Python，将描述土单元动力响应的等效线性计算过程与描述土单元应变循环累积响应的计算过程连接起来，使整个拟动力有限元计算过程在ABAQUS、PYTHON和MATLAB操作平台之间自动切换，最终在ABAQUS环境中完全实现了计算机自动完成整个分析过程，减少了分析过程中人工的反复操作和出错概率，提高了分析效率。
　　采用拟动力粘弹塑性有限元算法，针对饱和均匀软粘土中张紧式吸力锚在静荷载和循环荷载共同作用下变形失稳过程的模型试验进行有限元数值仿真模拟，并将数值仿真结果与试验测得结果对比。结果表明，有限元计算得到吸力锚基础的循环位移与模型试验结果较为吻合，循环累积位移随循环荷载作用次数的变化趋势与模型试验结果基本一致。
　　在以上研究的基础上，将拟动力算法扩展到模拟分层饱和软粘土中法向承力锚位移发展过程的模型试验中。结果对比表明，随着循环荷载作用次数的增加，系泊点处沿法向的位移逐渐循环累积，累积趋势逐渐减缓，有限元位移时程曲线与模型试验结果的整体趋势基本一致。进一步验证了拟动力有限元计算方法评价静荷载和循环荷载共同作用下深海锚固基础变形失稳过程的可行性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 循环荷载作用下土体的变形研究

1.3 主要研究工作

第二章 拟动力粘弹塑性有限元算法

2.1 拟动力粘弹塑性模型理论简介

2.2 拟动力有限元计算方法

2.3 小结

第三章 拟动力有限元算法在ABAQUS有限元软件中的实现

3.1 等效线性粘弹性动力响应分析

3.2 累积变形分析

3.3 锚固基础位移循环累积过程实现

3.4 小结

第四章 饱和软粘土中吸力锚变形过程分析

4.1 模型试验简介

4.2 有限元模型与计算参数

4.3 有限元分析结果与模型试验结果分析比较

4.4 小结

第五章 分层饱和软粘土中法向承力锚变形过程分析

5.1 法向承力锚模型试验简介

5.2 法向承力锚有限元模型与计算参数

5.3 法向承力锚有限元分析结果与模型试验结果分析比较

5.4 小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢