下载文档原格式
桶形基础负压下沉静力分析【摘要】本文旨在探讨桶形基础负压下沉静力分析的相关问题。
在将介绍研究背景、研究目的和研究意义。
在将分别概述桶形基础负压下沉静力分析、分析设计原理、静力分析方法、数值模拟与实验验证以及影响因素分析。
在将强调桶形基础负压下沉静力分析的重要性，并总结研究成果，展望未来研究方向。
通过本文的探讨，有望为相关领域的研究提供有益的参考和指导。
【关键词】关键词：桶形基础、负压下沉、静力分析、设计原理、数值模拟、实验验证、影响因素、重要性、研究成果、未来展望。
1. 引言1.1 研究背景桶形基础负压下沉静力分析的研究背景主要是由于传统基础结构在软土地区容易产生沉降问题而引起的。
在软土地区，基础结构的沉降会对建筑物的安全性和稳定性造成不利影响，甚至可能导致建筑物的倾斜或倒塌。
寻找一种有效的方法来解决软土地区建筑物基础沉降的问题变得尤为重要。
桶形基础是一种新型的基础结构形式，其特点是在基础底部设置有一定压力的负压，通过负压作用来减小基础底部与土层间的有效应力，从而减小基础的下沉。
这种基础形式在国外已有一定的研究和应用，但在国内仍处于起步阶段。
开展桶形基础负压下沉静力分析的研究对于提高软土地区建筑物基础的抗沉降能力具有重要意义。
通过对桶形基础负压下沉静力分析的系统研究，可以为软土地区建筑物基础设计提供一种新的思路和方法，有助于提高建筑物的安全性和稳定性，为软土地区的建筑工程提供更可靠的基础设计方案。
1.2 研究目的本文的研究目的是为了探讨桶形基础负压下沉静力分析的相关问题，通过理论分析和数值模拟，深入探讨桶形基础在不同条件下的静力特性以及负压下沉的影响机制。
通过对桶形基础设计原理和负压下沉静力分析方法的探讨，我们旨在为工程实践提供科学依据和设计指导，确保桶形基础在实际工程中的安全可靠性。
通过对影响因素的分析和实验验证，我们希望揭示桶形基础负压下沉静力特性的规律性，为工程设计提供更加可靠的参数参考。
吸力式桶型基础水平静力加载试验承载特性与稳定性分析许建朋;陈旭光;姜育科【摘要】Due to the economy,reusability,easy installation,wide applicability and other characteristics,the suction bucket foundations are widely used as offshore wind power bases.In this study,the horizontal loading test of the suction bucket foundation in saturated sandy soil is carried out.We obtained the effects of different aspect ratio on the horizontal bearing capacity of the suction bucket foundation by dimensionless analysis.It is found that with the increase of the aspect ratio of the bucket,the horizontal bearing capacity and the limit dis-placement of the bucket are increased.In addition,we analyze soil pressure on the front and rear side of the bucket with depth and horizontal load.We also found that the bucket rotation point position is located be-tween 0.6 and 0.9 times the bucket height by using the displacement analysis method and the soil pressure a-nalysis method;and as the aspect ratio increases,the rotation point position moves upwards.%吸力式桶形基础由于其经济、可重复利用、安装方便、适用性强等特点被广泛利用于海上风电基础.本文通过饱和细砂土中吸力式桶型基础水平加载试验,运用无量纲化的分析方法对试验结果进行分析,探究了不同长径比对吸力式桶形基础的水平承载特性的影响,发现随着基础长径比的增大,其水平承载力与桶顶极限位移量均增大;分析了基础桶壁受力前后侧土压力随深度以及水平荷载的分布规律;利用位移分析法和土压力分析法计算转动点位置,对比发现两种计算方法得到的基础转动点位置均位于0.6~0.9倍的桶高之间;揭示了加载过程中基础转动点位置随长径比增大向上移动的变化规律.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(040)003【总页数】5页(P61-65)【关键词】吸力;桶型基础;无量纲化;长径比;位移;土压力;转动点【作者】许建朋;陈旭光;姜育科【作者单位】河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京 210098;河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心,南京 210098;河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京 210098;河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心,南京 210098;河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京 210098;河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心,南京 210098【正文语种】中文【中图分类】TU441由于全球能源危机、环境污染以及温室效应的加剧，海上风能作为一种重要可再生、清洁能源逐渐受到人们的关注，海上风电得到大力发展．而在复杂海洋环境下，海上风电基础的承载特性与稳定性直接影响到海上风电整体的结构安全．吸力式桶型基础[1]为上端封闭下端开口的筒体，可利用负压原理下贯至海底土层．近年来，由于其成本较低、安装方便、可回收利用的特点被广泛应用于海上风电基础．目前，国内外学者对于吸力式桶型基础已经有一定程度的研究．Byrne[2]基于牛津大学研制的加载系统，研究了吸力式基础在砂土中的承载力特性，采用水平和竖向的静载和循环荷载等组合荷载，得到吸力式基础的破坏包络面．Chen[3]比较了吸力式沉箱在正常固结和超固结土中的一系列离心机模型试验的结果，分析了其在静载和循环荷载作用下的抗拔承载力．Randolph[4]论述了水平和竖向荷载条件下粘土中吸力基础的分析技术和设计参数．讨论了水平和竖向荷载之间的相互作用，并且考虑诸如土壤的强度各向异性和施加的载荷对吸力式沉箱的水平承载力的影响．朱斌等[5]对吸力式沉箱在饱和淤泥中的吸力安装和横向承载力进行大型模型试验．试验结果表明：渗流效应影响基础在淤泥中的下沉，沉贯所需的吸力可以根据桶壁摩擦力和锥阻力很好地预测．李大勇等[6-8]对饱和细砂土中裙式吸力基础的承载力特性开展模型试验研究，试验选取不同裙高的吸力基础进行水平静力加载试验，分析了水平位移和土压力的变化．王建华[9]通过模型试验研究了桶形基础在竖向静载以及水平循环荷载共同作用下的承载特性，并与有限元计算结果相对比，发现竖向静载决定了吸力锚失稳时循环荷载的大小与次数．由此可见，国内外学者对吸力式桶型基础已经有了初步的研究，本文对吸力式桶型基础进行水平静载模型试验，并且对试验结果进行无量纲化处理，研究其承载特性以及稳定性的变化规律．1 吸力式桶型基础模型试验1.1 吸力式桶型基础模型吸力式桶形基础模型由主桶模型和加载杆固定端组成，加载杆固定端设置在主桶模型顶盖中央，如图1所示．模型的材料是圆钢，并打磨光滑，下部敞开，上部顶盖一侧设有排水孔．本文模型试验采用3个不同长径比的吸力式桶形基础模型，尺寸见表1．表1 桶形基础模型尺寸长径比[H/D]直径D/mm桶高H/mm桶顶盖厚T1/mm桶壁厚T2/mm0．52001001050．751501200图1 吸力式桶形基础模型1.2 试验地基试验所选地基为取自海滩的细砂土，颗粒级配如图2所示，其物理力学参数见表2．为保证试验过程中砂土地基的均质性，采用分层装填，同时采用渗流加静置固结，可以加速砂土固结．每次装填砂土10 cm，注水并使水位高于砂土，打开排水阀进行排水，利用渗流作用加速砂土固结．重复上述过程，最终完成40 cm高砂土地基的分层填筑．图2 砂土颗粒级配曲线表2 试验用砂物理参数类型比重孔隙比渗透系数/(cm·s-1)细砂2．520．5740．0021.3 水平静力加载试验方案图3为水平静力加载模型试验方案示意图．图3 水平静力加载模型试验方案示意图吸力式桶形基础模型及微型土压力计埋入砂土中；2只LVDT位移传感器沿水平方向布置在加载杆受力方向后侧，分别标记LVDT1和LVDT2，LVDT1距离基础模型顶盖高90 cm，LVDT2距离基础模型顶盖高80 cm；静力加载高度是50 cm．水平静力加载模型试验，用砝码逐级加载，每级荷载为2 N，每级荷载作用下LVDT读数没有变化或者变化小于0.01 mm时，继续施加下一级荷载，直至基础模型失稳破坏．重复试验过程，直到完成3个不同长径比的吸力式桶形基础模型试验．2 水平静力加载模型试验位移试验结果分析将试验结果均做无量纲化处理[10]：水平荷载的无量纲表达式为F/2πR3γ、其中F 为水平静力，R为吸力式桶形基础模型半径，γ为试验砂土有效重度(由第二章土体参数算得9.46 kN/m3)；基础水平位移的无量纲化表达式为s/D，s为LVDT所测基础水平位移量，D为吸力式桶形基础模型的直径；基础桶顶位移的无量纲化表达式为S/D，S为基础桶顶水平位移量，D为吸力式桶形基础模型的直径；基础转动点位置的无量纲化表达式为h/H，h为转动点到桶形基础顶面之间的距离，H为吸力式桶形基础的长度(高度)．2.1 水平静载作用下吸力式桶形基础的荷载位移关系如图4所示为无量纲化下基础长径比分别为0.5、0.75和1时，吸力式桶形基础LVDT2处水平位移和水平荷载的关系曲线．图4 不同长径比的吸力式桶形基础水平荷载-位移曲线图由图4可知：对于不同长径比的吸力式桶形基础水平荷载-水平位移关系曲线的趋势基本相同，都可以分为3个阶段(弹性变形阶段、塑性变形阶段和失稳破坏阶段)，分析过程基本一致，将基础能承受的最大荷载定义为水平极限承载力．由图可知：长径比为0.5、0.75和1的吸力式桶形基础水平极限承载力分别为0.6、0.79和1.64．2.2 水平静载作用下吸力式桶形基础筒顶位移与荷载关系水平荷载作用下，假定吸力式桶形基础倾覆失稳时的运动形式是绕着基础中心轴上的某一点发生转动[11]，水平静力加载试验中，2支LVDT位移传感器沿水平方向布置在加载杆受力方向后侧，可计算基础桶顶水平位移随荷载的变化关系．无量纲化下不同长径比的吸力式桶形基础桶顶位移随水平荷载变化曲线图如图5所示．图5 不同长径比吸力式桶形基础桶顶随水平荷载变化关系从图5可以看出，随着水平荷载的增加，在相同荷载水平下长径比大的基础桶顶水平位移量小于长径比小的位移量；达到极限水平荷载时，长径比为0.5、0.75和1所对应的桶顶水平位移量分别约为0.029、0.038和0.05，说明随着长径比的增加，基础能承受的变形量增大，基础桶顶极限水平位移量增加；当达到极限水平承载力时，吸力式桶形基础的水平位移一直增大，此时基础失稳破坏．按照破坏时基础最大水平位移量达到基础宽度的3%～6%作为水平位移破坏的标准[10]，可知实验结果基本与之吻合．2.3 吸力式桶形基础转动点变化规律水平荷载作用下，假定吸力式桶形基础倾覆失稳时的运动形式是绕着基础中心轴上的某一点发生转动[12]，水平静力加载试验中，2支LVDT位移传感器沿水平方向布置在加载杆受力方向后侧，可计算转动点的位置随水平荷载的变化关系．图6所示为无量纲化下不同长径比的吸力式桶形基础转动点随荷载变化曲线图，其中负号表示转动点在砂土表面以下．由图6可以看出，随着水平荷载的增大，基础转动点会向下移动，最后会趋于一个稳定的范围．吸力式桶形基础受到水平荷载作用时，主要的运动方式为转动，也会发生平动；结合基础荷载-位移曲线图分析，基础在弹性变形阶段和塑性变形前期阶段，由于基础变形位移量相对较少，平动所占的比例相对较大，所以转动点的位置变化较大；随着塑性变形的发展到失稳破坏阶段，基础的变形位移量逐渐增大，基础主要以转动为主，并逐渐成为完全转动，所以转动点的范围趋于一个稳定的范围．图6 不同长径比吸力式桶形基础转动点随荷载变化曲线图3 水平静力加载模型试验土压力试验结果分析吸力式桶形基础属于埋深小的宽浅式基础，基础前后侧受到的土压力按主动土压力和被动土压力考虑[13-14]．所测得的被动土压力是正值，测得的主动土压力是负值．通过土压力值的测量，得出被动土压力区和主动土压力区，并将相同埋深的基础前后侧土压力值相减，得到土压力的合力，土压力合力为0处则为基础转动点位置[15]．3.1 不同长径比吸力式桶型基础转动点位置图7～9分别为为长径比0.5、0.75、1的吸力式桶形基础土压力合力分布图．从图7可知：长径比为0.5的吸力式桶形基础的转动点位置在0.85倍桶高以下，在失稳破坏时会稍微向上移动，转动点位置的平均深度约为0.9倍桶高．从图8可知：长径比为0.75的吸力式桶形基础的转动点位置在0.7～0.9倍桶高之间，在失稳破坏时会稍微向上移动，转动点位置的平均深度约为0.8倍桶高．从图9可知：长径比为1的吸力式桶形基础的转动点位置0.6～0.65之间，转动点平均位置约为0.62倍桶高．图7 长径比0.5的吸力式桶形基础土压力合力分布图图8 长径比0.75的吸力式桶形基础土压力合力分布图图9 长径比1的吸力式桶形基础土压力合力分布图3.2 位移与土压力得到的转动点位置对比将2.3节位移分析得出无量纲化下吸力式桶形基础破坏时的转动点位置和3.1节土压力分析得到的数据汇总并对比，见表3．表3 不同长径比的吸力式桶形基础转动点汇总长径比[H/D]转动点位置范围位移分析土压力分析转动位置平均值位移分析土压力分析0．50．78～0．930．85～0．950．860．90．750．65～0．850．7～0．90．750．810．5～0．640．6～0．650．570．62由表3可知，通过位移分析和土压力分析得到的转动点位置差别不大，基本吻合．综合分析可知：水平静载作用下，长径比0.5的吸力式桶形基础的转动点位于基础顶面以下0.78～0.95倍桶高之间，长径比0.75的吸力式桶形基础的转动点位于基础顶面以下0.65～0.9倍桶高之间，长径比1的吸力式桶形基础的转动点位于基础顶面以下0.5～0.65倍桶高之间．随着基础长径比的增大，基础转动点的位置相对于桶高向上移动，但是都位于基础顶面以下0.6～0.9倍桶高之间．4 结论与建议本文通过无量纲化方法对吸力式桶形基础水平静力加载模型试验的结果进行详细分析．主要得出以下结论：1)吸力式桶形基础在水平静力加载过程中分为3个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和失稳破坏阶段．吸力式桶形基础的承载力和稳定性随长径比的增大而增大．2)不同长径比的吸力式桶形基础在水平静力加载过程中弹性变形阶段，桶顶水平位移量基本相同，均为0.004；桶顶极限水平位移量随着长径比的增大而略有增大；实验结果基本吻合整体刚性短桩水平承载破坏特性．3)通过位移和土压力分析分别得到的基础转动点位置变化规律，两者差别相对较小；随着基础长径比的增大，基础转动点的位置相对于桶高向上移动，但是都位于基础顶面以下0.6～0.9倍桶高之间．本文所得结论均为实验室内进行，还需要数值模拟或理论分析的验证．参考文献：[1] Ibsen L B. Implementation of a New Foundations Concept for Offshore Wind Farms[C]. Proceedings Nordisk Geoteknikermøte nr. 15: NGM 2008，Nordisk Geoteknikermøte, Sandefjord, 2008：19-33．[2] Byrne B W. Investigations of Suction Caissons in DenseSand[J]． University of Oxford, 2000．[3] Chen W, Randolph M. Radial Stress Changes Around Caissons Installed In Clay By Jacking And By Suction[C]．2004．[4] Randolph M F, House A R. Analysis of Suction Caisson Capacity inClay[C]． Offshore Technology Conference, 2002．[5] Zhu Bin, Kong Deqiong, Chen Renpeng, et al. Installation and Lateral Loading Tests of Suction Caissons in Silt[J]． Canadian Geotechnical Journal, 2011, 48(7):1070-1084．[6] 李大勇, 郭彦雪, 高玉峰, 等. 水平单调荷载作用下饱和细砂中裙式吸力基础土压力特性分析[J]．土木工程学报, 2015，48(1):112-119．[7] 李大勇, 曹立雪, 高盟, 等. 水平荷载作用下裙式吸力基础承载性能研究[J]．海洋工程, 2013，31(1):67-73．[8] 李大勇, 冯凌云, 张雨坤,等. 饱和细砂中裙式吸力基础水平单调加载模型试验-承载力及变形分析[J]．岩土工程学报, 2013，35(11):2030-2037．[9] 王建华, 刘晶磊, 周扬锐. 静荷载与循环荷载作用下张紧式吸力锚承载特性的模型试验[J]．岩土工程学报, 2012, 34(6):997-1004．[10] Byrne B W. A Comparison of Field and Laboratory Tests of Caisson Foundations in Sand and Clay[J]．Géotechnique, 2006, 56(9)：617-626．[11] 孟昭瑛, 梁子冀, 刘孟家. 浅海桶形基础平台水平承载力与抗滑稳定分析[J]．海洋科学进展, 2000, 18(4):36-41．[12] Obrzud R,Truty A.The Hardening Soil Model-a Practical Guidebook[M].Zace Services Ltd,Lausanne,Switzerland, 2011．[13] 瞿小莉. 大直径圆筒结构土压力研究[D]．大连：大连理工大学, 2008．[14] 许英. 大直径薄壁圆筒结构土压力研究[D]．南京：河海大学, 2004．[15] Prasad Y V S N, Chari T R. Lateral Capacity of Model Rigid Piles in Cohesionless Soils[J]． Soils & Foundations, 1999, 39(2):21-29．。
Vol. 43, No. 2Feb., 2021第43卷第2期2021年2月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY海上风机吸力式桶形基础竖向承载力特性研究廖倩"，毋晓妮"，李晔1,2(1.上海交通大学，海洋工程国家重点实验室，上海200240; 2.上海交通大学，船舶海洋与建筑工程学院，上海200240)摘 要：吸力式桶形基础作为一种新型的海上风机基础，正逐渐以单桶或者多桶组合形式被应用于海上风机支撑基础设计中。
然而目前对应用于海上风机基础的桶形基础的极限承载力的研究仍存在研究不全面和结果不统一 的问题。
本文以宽浅型单桶基础为例，采用有限元软件Abaqus 对海上风机吸力式桶形基础在饱和黏土地基中的竖向 承载特性进行三维有限元分析。
考虑桶土接触面分离条件对极限承载力和土体破坏模式的影响，并且对桶形基础长 径比、土体的有效重度以及土体不排水抗剪强度分布对桶形基础竖向极限承载特性的影响进行分析。
研究成果可以为海上风机吸力式桶形基础设计提供参考。
关键词：吸力式桶形基础；竖向承载力；三维有限元分析；变动参数比较研究中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：1672 - 7649(2021)02 -0120-06 doi ： 10.3404/j.issn.l672 - 7649.2021.02.025Research on the vertical bearing capacity of suction bucket foundation for offshore wind turbineLIAO Qian 气 wu Xiao-ni 1'2, LI Ye 1'2(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. School of NavalArchitecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)Abstract: Suction bucket foundation is a new type of offshore wind turbine foundation. It can be used in a single-buck et or multi-buckets supported offshore wind turbine. However, the understanding on the bearing behavior of suction bucketfoundation for offshore wind turbine is still limited and there is inconsistency in the existing research results. This work presents the results of three-dimensional finite element analyses of bucket foundations in normally consolidated clay underundrained condition. The ultimate vertical bearing capacity and failure mode of the suction bucket foundation under differ ent contact conditions are investigated. The effects of the embedment ratio of the bucket foundation, the effective unit weightof the soil and the profile of undrained shear strength on the vertical bearing capacity of the bucket foundation are discussed.Key words: suction bucket foundation ； vertical bearing capacity; three-dimensional finite element; parametric com parative study0引言海上风电行业从20世纪80年代开始发展，并且 自2000年以来发展迅速。
文章编号:1007Ο2993(2006)04Ο0170Ο03饱和砂土中桶形基础承载力的实验研究鲁晓兵 矫滨田 刘 亮(中国科学院力学研究所,北京 100080) 【摘 要】 桶形基础是近年开发的一种新型的可广泛应用于海洋工程结构的基础形式。
由于多种优越性而受到各国石油部门的重视,并引起许多研究人员的关注。
通过在饱和砂中的单桶和四桶基础模型实验,研究了桶形基础的静承载特性。
分别进行了垂直方向和水平方向的加载实验,其中,四桶基础水平方向加载又分为沿四桶中心构成的正方形的平行边方向和对角线方向施加,得到了载荷位移曲线,对单桶和四桶基础承载力特性,以及加载方向和速率的影响进行了分析和比较。
【关键词】 桶形基础;承载力;饱和砂 【中图分类号】 TU 447Experimental Study on the Bearing C apacity ofBucket Foundation in Saturated SandLu Xiaobing Jiao Bintian Liu Liang(Institute of Mechanics ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100080China )【Abstract 】 Bucket foundation is a new type of foundation which may be used extensively in offshore structures.It is attractedby oil corporations and researchers because of its several advantages.The static bearing capacity of bucket foundation is studied by ex 2periments of single Οand four Οbucket foundation in saturated sand layer.The characteristics of bearing capacity under vertical load and horizontal load are obtained experimentally.The horizontal load of four Οbucket is applied in the direction parallel to one sideline or one catercorner of the quadrangle formed by the centers of four buckets.The load Οdisplacement curves are obtained.The characteristics of single Οbucket and four Οbucket foundation ,the effects of load direction and load rate are analyzed.【K ey Words 】 bucket foundation ;bearing capacity ;saturated sand0 引 言随着海上石油开发的发展,需要采取新型的平台以节省费用。
砂土中吸力式桶形基础竖向承载性状研究李大勇;吴宇旗;张雨坤【摘要】吸力式桶形基础的竖向承载力是工程设计中的重要问题,其承载力主要由桶壁摩阻力、桶尖端承载力及桶内部土体的支撑力三部分组成.在同种砂土地基中桶基础的直径、桶高以及在地基中的埋深直接影响着上述三部分力的大小.分析了桶壁摩阻力和桶尖端承载力随埋深的变化关系式,提出了计算地基承载力的解析表达式.并通过试验数据验证解析式的准确度,结果两者误差均在15％以内,所提出的解析表达式适用于地基承载力的计算.【期刊名称】《山东科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(035)003【总页数】7页(P33-39)【关键词】砂土地基;吸力桶基础;竖向承载力;滑移线理论【作者】李大勇;吴宇旗;张雨坤【作者单位】山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点试验室,山东青岛266590;山东科技大学土木工程与建筑学院,山东青岛266590;河海大学土木与交通学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】TU447吸力式桶形基础是一种上端封闭，底端开口的钢制海洋工程基础结构，因其施工简单、施工速度快、造价低及可回收利用等优点而被用于系泊海洋浮动式结构及海洋平台基础[1-2]，近年来也逐渐被应用于海上风电塔架的基础[3]。
国内风力发电平台快速增长[4]，对桶基础极限承载力的研究越加迫切，桶形基础往往承受着来至上部风力发电机及塔架的巨大载荷，承载能力与其直径、高度密切相关。
国内外许多学者通过模型试验、离心机试验、数值软件分析及理论推导等方法对竖向承载力做了大量研究。
Bransby[5]、Sharma[6]和Gourvenec等[7]通过有限元方法研究了吸力基础在水平和竖向荷载以及弯矩复合荷载作用下的承载力，得出吸力基础的承载力极限包络图以及吸力基础桶裙长度对包络图的影响。
Hung等[8]借助有限元法讨论了不同的不排水抗剪强度下吸力基础的承载力随长径比的变化，并分析了桶基础在竖直和水平荷载作用下运动形式和基础周围土体的破坏机理。
桶形基础弯矩承载力研究
桶形基础是一种常用的土木工程基础形式，广泛用于建筑物、桥梁、隧道等工程中。
桶形基础的弯矩承载力是评估其承载能力的重要指标之一。
本文将从桶形基础的特点、弯
矩产生原因、弯矩计算公式以及影响弯矩承载力的因素等方面展开研究。
桶形基础是一种横截面呈现向内腰线凸出的桶形，可以通过地下开挖、预埋桩或机械
挖掘等方式施工。
桶形基础的设计主要是考虑其在外界作用力下产生的弯矩，以保证其承
载能力满足工程需求。
桶形基础在承载过程中产生的弯矩主要由以下几个方面引起。
在施工过程中，桶形基
础横截面呈现塑性变形，其上下表面产生相对位移，从而引起弯矩。
基于桶形基础受到的
载荷非均匀分布，也会产生弯矩。
桶形基础在使用过程中可能遇到的地震、风力等外界作
用力，也会导致其产生弯矩。
桶形基础的弯矩计算公式可以通过基础力学原理得出。
根据物理力学原理，弯矩可以
通过以下公式计算得出：弯矩 = 弯矩力矩/截面惯量。
弯矩力矩是指施加在桶形基础上的
力矩，截面惯量是指桶形基础截面内各点到中心轴的距离平方和。
影响桶形基础弯矩承载力的因素较为复杂，主要包括以下几个方面。
桶形基础的形状
和尺寸对其弯矩承载力具有显著影响。
通常情况下，桶形基础的宽度越大，其承载力越强。
桶形基础的材料强度也会影响其弯矩承载力。
材料强度越高，基础的承载能力也越强。
基
于地下土壤、地下水位以及基础受到的外界作用力等因素也会对桶形基础的弯矩承载力产
生影响。
上拔荷载作用下桩—桶基础结构受力数值分析地球表面面积的70.8%是海洋,海洋蕴藏着丰富的石油、天然气以及其它矿产资源,能为人类提供大量的生存资源。
科学技术的发展,使人们能够有机会从陆地向海岸,甚至向远海、深海进军,开采海洋资源,以满足人类不断增长的生存和生活需要。
在进行海洋开发的过程中,首先面临的是海洋建筑物的建造,而一切建筑物都要建立在合适的基础之上。
本文所研究之桩-桶基础是一种新型的海洋工程基础,目前正处于理论研究和试验分析阶段,本文主要研究的是桩-桶基础在上拔荷载作用下结构的力学响应,首先采用室内模型试验进行分析,接着运用ABAQUS有限元数值模拟进行分析,进行对比分析后对桩-桶基础的结构尺寸效应进行分析。
首先分析了本课题研究的脉络,从桩基础工作性能、桶型基础工作性能及桩-桶基础上拔时地基土体的受力特性这些已有科研成果出发,寻求本文研究的着入点。
然后设计了测量上拔荷载作用下的桩-桶基础的结构变形的试验装置和试验流程,对试验原理进行介绍,对试验结果数据进行整理和分析。
通过分析可知随着上拔荷载的增加,桩-桶基础结构应力及变形随之增加,上拔荷载达到极限时,基础应力及变形也达到最大;土体破坏后,桩-桶结构各部分的受力趋于稳定;桶结构和桩结构从上到下,所受应力逐渐减小;桶顶结构在上拔过程中体现固支梁的效果;桶顶远桩边缘和桶壁上部的连接属于固接;上拔过程中,桶底和桩底会出现空腔,对桶底部结构和桩底部结构受力有减小的影响,对桶的减小影响比对桩的要小,由于空腔导致摩擦力减小,桶底结构应力较最大应力减小8.6%;桩底结构应力较最大应力减小13.5%;桩和桶的结合部位在上拔过程中应力最大,达到3MPa左右,上拔荷载往下传递时在该处进行再分配;桶顶边缘处在上拔过程中应力也较大,达到3MPa左右,桩-桶基础上拔过程中,该处土体产生剪切破坏。
接着运用ABAQUS软件建立桩-桶基础的数值模型,并进行分析和后处理,通过对模型10个测点的应力曲线的分析,知道从第1级荷载步到第9级荷载步,主要由桩来抵抗上拔荷载的作用,桩体结构每荷载步的应力增长量是其最大应力值的11.0%,桶体结构每荷载步的应力增长量是其最大应力值的1.0%;第9级荷载步之后,主要由桶结构来抵抗上拔荷载的作用,桶体结构每荷载步的应力增长量增加为其最大应力值的10.0%,桩体结构每荷载步的应力增长量减小为其最大应力值的1.0%。
改进桶基础结构以提高承载能力的研究摘要：通过有限元数值模拟结合模型试验研究了竖向荷载作用下桶基础与经改进后的异形桶基础的应力分布和极限承载力的变化，将所得的数值模拟结果进行对比分析。
异形桶基础的极限承载力较改进前的桶基础的极限承载力提高最大可达68.72%。
异形桶基础极限承载力增大的效果受到其自身径高比的影响，最优径高比接近1.125。
异形桶基础在竖向荷载作用下的极限位移小于桶基础的极限位移。
极限承载力提高的原因主要在于帽檐下方的土体为基础提供了类似桩端阻力的支承力。
关键词：桶基础数值模拟极限承载力承载机理中图分类号：tv92；tu472 文献标识码：a 文章编号：1007-3973（2013）003-001-041 引言伴随我国经济的高速发展，海洋这一蕴藏丰富资源的宝藏越来越受到国家的重视，大量海洋及近海工程如雨后春笋般出现在我国漫长海岸线。
然而海洋及近海工程因为其环境的特殊性，其施工难度及施工费用往往都是一般的陆上工程所无法比拟的，一个重要的原因就在于其地基条件的复杂性。
桶形基础作为一种相对较新的基础形式，于1994 年在挪威首次投入使用。
这种基础具有投资费用低、施工时间短、可重复使用等优点，具有很好的竖向承载力和水平承载力。
王泉等（2000）讨论了结构设计应解决的主要问题、桶形基础结构型式和尺度、桶形基础结构设计以及强度和稳定性计算。
张金来等（2005）分析了桶型基础长径比对基础承载力的影响以及竖向和横向耦合荷载作用下的极限承载力特性。
张宇等（2005）进行了竖向下压载荷作用下，桶形基础与土相互作用的模型试验及非线性数值分析，计算结果与模型试验的荷载一沉降曲线吻合较好，同时对桶形基础的不同部位在承担竖向下压载荷时所承担的比例变化进行分析，给出顶板土反力、侧壁摩阻的分布形式及端部阻力的特性，并对顶板对桶形基础受力特性的影响及桶形基础与实体基础受力特性的差别进行了计算与分析。
杨亮（2012）对竖向荷载作用下的桶基础试验进行研究，进行了桶基础半模试验用于分析土体表面位移随荷载的变化状况及土体内部的破坏过程、破坏形式；同时进行了桶基础全模试验用于分析桶基础竖向承载能力，求出极限荷载，研究桶基础径高比优选点。
第24卷 第7期岩石力学与工程学报 V ol.24 No.72005年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April ，2005收稿日期：2003–07–17；修回日期：2003–09–18基金项目：中国科学院知识创新重大项目(KJCX2–SW –L03–01)作者简介：张金来(1978–)，男，硕士，2003年于中国科学院力学研究所获硕士学位，主要从事岩石力学试验方面的研究工作。
E-mail ：jinlai_zhang@ 。
桶形基础极限承载力特性研究张金来1，鲁晓兵1，王淑云1，时忠民2，张建红3(1. 中国科学院 力学研究所，北京 100080；2. 中国海洋石油总公司研究中心，北京 100027；3. 清华大学 水利水电工程系，北京 100084)摘要：通过有限元计算，分析了不同长径比下横向和竖向承载力、载荷位移曲线以及耦合载荷作用下的极限承载力特性，并与实验结果进行了对照。
结果表明：当竖向压力小于某临界值时，基础的横向极限承载力随着竖向压力的增加而增加；但是当竖向压力增大到超过该临界值以后，横向极限承载力反而会随竖向压力的增大而降低。
随着长径比的增加，基础承载力，特别是横向承载力有比较明显的提高。
关键词：岩土力学；有限元法；长径比；耦合载荷中图分类号：TP 183 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)07–1169–04THE CHARACTERISTICS OF THE BEARING CAPACITYOF BUCKET FOUNDATIONZHANG Jin-lai 1，LU Xiao-bing 1，WANG Shu-yun 1，SHI Zhong-min 2，ZHANG Jian-hong 3(1. Institute of Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100080，China ； 2. Research Center of Chinese Ocean Oil Company ，Beijing 100027，China ；3. Department of Hydraulic and Hydropower Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China )Abstract ：The finite element software(ABAQUS) was used to simulate the bearing capacity of the bucket foundations with different height-to-diameter ratios. The characteristics of the bearing capacity of the foundations under the vertical loading ，the horizontal loading and the coupling loadings were analyzed. The numerical results were compared with that of experiments. It is shown that under a critical vertical loading ，the horizontal bearing capacity increases with the increase of the vertical loading ，but decreases with the increase of the vertical loading when the latter is larger than the critical loading. The bearing capacity ，especially the horizontal bearing capacity ，increase obviously with the increase of the height-to-diameter.Key words ：rock and soil mechanics ；FEM ；height-to-diameter ratio ；coupling loading1 引 言桶形基础(简称桶基)的概念最早见于国外20世纪60年代[1，2]，从70年代初开始对其进行了大量的实验研究，80年代后期开始受到石油公司的重视并逐渐运用到海洋平台建设中。
1994年桶基被成功地应用于Eurapiple16/11平台，被称为“导管架基础工程技术新时代的曙光”[1]。
在今后一段时期内，由于渤海地区的油气资源将加大开发力度，因此，需要建设大批的海上石油平台。
而桶形基础以其多方面的优点成为该地区石油平台基础的重要选择。
当前对桶形基础的研究，主要是围绕以下几个方面展开：一是在负压作用下的吸力式基础的沉贯阻力和安装稳定性；二是在各种内外载荷作用下的基础稳定性以及冲刷破坏等；三是能否拔出来以及·1170· 岩石力学与工程学报 2005拔出力大小的估计[3～11]。
到目前为止，已建成的桶形基础还比较少，还没有得到足够的设计数据和形成成熟的技术和经验。
有鉴于此，本文重点分析桶基长径比对基础承载力的影响以及竖向和横向耦合载荷作用下的极限承载力特性，为桶形基础的稳定性设计提供参考。
2 计算模型采用ABAQUS 软件对饱和砂土中桶基的承载力特性进行数值模拟并与实验结果对比。
在计算中，用实体单元划分砂土和桶基，桶体材料为钢。
由于结构和载荷的对称性，采用模型的一半进行计算，近桶区域网格划分细，从近到远网格尺寸按1∶1.05的比例逐渐增加(图1)。
在与实验结果对比计算时，计算区域沿径向取5倍桶半径，沿深度取10倍桶高(对5 cm 高的桶)或5倍桶高(对10 cm 高的桶)，使计算区域与实验情况基本相同。
在其他计算中，沿径向取10倍桶半径，沿深度取10倍桶高，使边界影响基本被消除。
桶与土之间采用ABAQUS 软件中具有的接触对来模拟接触面的连接。
除土体顶部为自由外，其他面均采用法向固定约束。
对砂土采用Dancun-Chang 模型。
通过三轴实验，由模型实验砂确定的本构参数分别为：0=c ，=ϕ40°，550=K ，93.0f =R ，68.0=n ，3.0=d ，36.0=G ，243.0=F 。
其中，c 为粘聚力，ϕ为内摩擦角，f R 为破坏比，K ，n ，d ，G ，F 为实验常数。
桶土间接触面的摩擦系数取为0.2。
桶体为普通钢材，弹性模量和泊松比分别取为200 GPa 和0.17。
载荷按1 kg 逐级施加，直到变形大且不停止，中止计算。
图1 有限元网格划分 Fig.1 The mesh for the computing由于ABAQUS 软件本身没有Dancun-Chang 模型，因此，另外编制了Dancun-Chang 模型的接口程序[12]。
3 实验验证为了对所建的有限元模型和参数进行验证，将计算结果与模型实验结果进行了对比。
3.1 实验情况简介模型实验是在长×宽×高 = 50 cm ×50 cm ×45cm 的模型槽中进行的，模型槽中心部分安置普通钢(弹性模量和泊松比见节3.2)圆筒模拟桶形基础。
采用的2个模型的结构尺寸情况为：桶径为10 cm ，对应桶内的净高分别为10和5 cm ，即长径比分别为1∶1和1∶2，上端封闭，底部敞口，顶盖厚1 cm ，桶壁厚2 mm ；顶部留小孔以便于桶基下沉过程中的排水，下沉完毕后密封。
竖向载荷通过在桶顶预制的竖向加载凹槽由液压器施加，以1 mm/s 的下降速度使桶下沉，并通过力传感器记录作用于桶上的力的大小。
横向载荷通过拉索套孔由砝码施加，按1 kg 逐级施加，直到桶被拉出土体为止。
实验材料采用饱和漳州砂，内摩擦角为40°，控制干密度为1.58g/cm 3(图2)。
实验中，首先在模型槽内注水，再均匀撒砂，制成饱和砂地基模型，上部保持砂面上有约1 cm 厚的水层，使砂始终处于饱和状态。
在确定砂土本构模型参数时，以该干密度和应力水平进行三轴实验，具体数据见节3.2。
分2种工况进行实验：(1) 桶基在竖向载荷作用下的承载力情况(无横向载荷)；(2) 桶基在横向载荷作用下的承载力情况(无竖向载荷)。
载荷由小到大施加，当载荷位移曲线趋向水平后，实验停止[13]。
在下面的验证计算中，只选用其中水平和横向作用力各一种情况。
图2 实验装置Fig.2 The setting of experiment第24卷 第7期 张金来等. 桶形基础极限承载力特性研究 • 1171 •3.2 实验结果与计算结果比较在横向载荷作用下，在实验前期，随着载荷的增加，桶基模型的位移很小，在砂基的受压区表面没有明显的变形迹象。
随载荷的进一步增加，桶基的模型将产生1个小的转角，然后基础瞬间失稳倾覆。
计算中采用与实验模型相同的桶结构、砂土材料与几何尺寸。
从图3中的实验和计算结果对比可以看出，计算和实验得到的极限承载力结果相近，计算结果比实验结果略高，两者之间的误差不超过10%，可以认为两者的结果是相近的。
图3 桶横向载荷–位移曲线对比Fig.3 The comparison of load-displacement curves underhorizontal force在竖向载荷作用下，随着模型桶被压入，可以看到在距桶壁较近的砂面上有轻微的隆起，当桶的顶部没入砂中时，轻微的隆起随砂向中间塌陷而消失。
从总体来看，计算与实验结果都较为吻合(图4)。
图4 桶竖向载荷–位移曲线对比Fig.4 The comparison of load-displacement curves undervertical force4 计算结果分析下面对桶基在水平载荷、垂直载荷、二者耦合作用下的承载力特性及其长径比对桶基承载力的影响进行计算。
在结果分析中，取无量纲横向载荷3h 1/gD F f ρ=、竖向载荷3v 2/gD F f ρ=、极限承载力3max max /gD F f ρ=进行讨论。
ρ为砂的密度，取1 580 kg/m 3，g 为重力加速度，D 为桶基模型直径，取0.1 m 。
4.1 耦合载荷作用下的极限承载力研究一般情况下，海上石油平台受到的载荷经常都是横向和竖向载荷同时作用。
在本节中将对这种情况进行计算分析。
计算选用长径比为1∶1的模型，在桶基模型顶部施加不同大小的竖向压力，对每一竖向压力，逐渐增大横向拉力，分别计算在相应情况下的横向载荷位移曲线，计算过程中，当载荷位移曲线逐渐上升到趋近于水平时结束计算。
