循环荷载作用下软粘土中张紧式吸力锚承载力研究

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张紧式吸力锚是深水浮式平台一种重要的基础形式。本文针对静荷载与循环荷载作用下软土中张紧式吸力锚破坏模式与承载特性进行了研究,包括以下几个方面工作:通过模型试验研究了吸力锚在静荷载作用下的破坏模式以及不同破坏模式的承载特性。结果表明:锚发生竖向破坏时,其系泊方向的位移大约为0.6倍锚径,锚发生水平破坏时,其系泊方向的位移大约为0.3倍锚径;通过优化锚的长径比,可以在节约成本的前提下使锚发挥更大的承载能力;土层条件改变会影响锚的破坏模式,并导致承载力发生相应的变化。通过模型试验研究了平均荷载和循环荷载共同作用下张紧式吸力锚破坏模式和承载特性,结果表明:若静荷载作用下锚为竖向破坏,那么在同方向平均荷载和循环荷载共同作用下锚仍然是竖向破坏;若静荷载作用下锚为水平破坏,那么在同方向平均荷载和循环荷载共同作用下其破坏模式取决于竖向与水平抗力的弱化程度;当循环破坏次数大于一定值时,锚的循环承载力低于静极限承载力;加载方向给定后,随平均荷载的增大,同一循环破坏次数下的循环承载力有所增加;当平均荷载比在0.5左右时,锚承受的循环荷载最大;循环荷载频率改变对锚循环承载力的影响程度取决于循环破坏次数,当频率从0.1Hz减小至0.01Hz时,若循环破坏次数从100变化至1000时,循环承载力最多降低约8%;若循环破坏次数从1000变化至2000时,循环承载力最多降低约4%;若循环破坏次数大于2000时,循环承载力最多降低约1%,此时可略去循环频率变化对承载力的影响。对利用有限元计算分析张紧式吸力锚承载力的方法进行了研究。结果表明:锚土之间接触特性的描述取决于锚的破坏模式。当锚为竖向破坏时,采用临界剪应力摩擦模型描述锚土间接触是恰当的;当锚为水平破坏时,采用库伦摩擦模型描述锚土间接触是恰当的;计算中若采用基于Mises屈服准则的理想弹塑性本构关系描述软土的不排水应力应变特性,且按位移标准确定极限承载力,则弹性模量的取值对确定软土中吸力锚承载力有影响且取决于锚的破坏模式。当锚发生竖向破坏,弹性模量按约150倍的不排水强度取值是恰当的;当锚发生水平破坏,弹性模量按约75倍的不排水强度取值是恰当的;借助有限元方法,分析了加载方向对锚底反向承载力影响,并提出了反映加载方向对锚底反向承载力影响的修正关系;探讨了依据软粘土循环强度利用拟静力弹塑性有限元计算,估算平均荷载与循环荷载共同作用下吸力锚平均位移变化趋势的可行性,计算与模型试验结果比较说明,计算得出的拟静力荷载位移曲线能够对锚实际平均位移的变化趋势给出一个恰当的估计。最后基于塑性极限上限分析原理,建议了一种利用软粘土循环强度计算平均荷载和循环荷载共同作用下张紧式吸力锚承载力的拟静力方法。通过对计算结果与模型试验结果比较说明利用这一方法分析吸力锚循环承载力的可行性。
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