【摘 要】
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近年来,由于日益严重的人口、资源、环境问题,人类活动逐渐向海洋延伸,快速推进海洋资源的勘探与开发势在必行,而海洋工程的建设是实现海洋经济持续发展的前提。为了适应复杂的海上环境,这些结构普遍采用高承台群桩作为基础型式。在服役期间,海洋平台长期遭受方向各异、幅值较大、次数频繁的波浪、海流、风等水平循环荷载作用,进而使群桩基础产生不可避免的累积变形,导致近海工程发生倾覆、倒塌等事故,大幅降低了其服役寿命
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近年来,由于日益严重的人口、资源、环境问题,人类活动逐渐向海洋延伸,快速推进海洋资源的勘探与开发势在必行,而海洋工程的建设是实现海洋经济持续发展的前提。为了适应复杂的海上环境,这些结构普遍采用高承台群桩作为基础型式。在服役期间,海洋平台长期遭受方向各异、幅值较大、次数频繁的波浪、海流、风等水平循环荷载作用,进而使群桩基础产生不可避免的累积变形,导致近海工程发生倾覆、倒塌等事故,大幅降低了其服役寿命。因此,研究并掌握群桩基础在海上复杂环境中的动力特性对近海工程的设计及稳定性评价具有重大指导意义。为了研究群桩基础在水平循环荷载作用下的受力变形特性,本文主要进行了以下几项工作。首先,详细介绍了群桩基础水平循环受荷室内模型试验的各项准备工作;其次,开展了饱和粘土中不同桩距下群桩水平循环受荷室内模型试验,通过对试验结果进行分析研究了群桩基础水平累积变形特性及桩周土体动态响应对其产生的影响;最后,通过三维数值分析进一步研究了群桩基础水平累积变形特性,及其在桩体自身因素、荷载因素、桩周土体因素等影响下的变化规律。得到了如下结论:(1)饱和粘土中,群桩承台水平累积变形及转角随荷载幅值的增大不断增大,随桩距的增大逐渐减小。荷载幅值较小(CRL≤0.5)时,承台水平累积变形及转角随循环次数的增加先迅速增大后增大速率减小,最后趋于稳定,呈现出快速增长、缓慢增长、稳定发展三个阶段;荷载幅值较大(CRL=0.75)时,承台水平累积变形及转角在整个加载周期内都不断增大,没有出现明显的稳定阶段;(2)水平循环荷载作用下,群桩中弯矩变化呈现前排桩大于后排桩的规律,群桩中各桩桩身弯矩沿埋深先增大,达到峰值后逐渐减小,在z=30 cm(z为埋深、z=12 D)处出现反弯点,桩端弯矩近似为零。其中,弯矩最大值主要集中在z=15-20 cm(z=6 D-8 D)范围内,水平循环荷载对群桩桩-土体系变形的影响范围主要在泥面以下30-40 cm(约12 D-16 D),集中在地基土中上部;(3)桩周土体在水平循环荷载作用下会出现环形裂缝、径向裂纹、上凸隆起、桩土脱离等破坏现象,环形裂缝宽度集中在0.1 D-0.3 D(D为桩径)范围,径向裂纹主要分布在1 D-2 D范围内。随着循环次数与荷载幅值的增大,破坏现象越明显,裂缝宽度与深度、裂纹分布密度越大,随着桩距的增加,破坏现象越微弱,裂缝宽度与深度、裂纹分布密度越小;(4)水平循环荷载作用下,桩周土体超孔隙水压力与桩侧水平土压力变化规律与群桩水平累积变形发展趋势一致。随着循环次数的增加不断增大,但不同阶段增大速率不同,前1000次加载周期内增长速率较快,后期增长速率不断放缓;(5)在桩体自身因素的影响下,群桩承台水平累积变形随桩距与桩数的增加不断减小,荷载-位移滞回圈随桩数的减少越饱满,土体非线性越明显;在荷载因素的影响下,群桩水平循环刚度随着荷载入射角度的增加,产生明显的减小现象,但荷载-位移滞回圈的饱满程度并没有发生明显变化,同时加载频率对群桩水平累积变形特性的影响表现出离散性;此外,在桩周土体性质的影响下,承台水平累积变形随着桩周土体初始弹性模量的增大不断减小,随着桩-土界面摩擦系数的增大略有增加,但变化并不显著。
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