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原文传递循环荷载作用下张紧式吸力锚基础变形与承载力分析方法研究

论文题名：	循环荷载作用下张紧式吸力锚基础变形与承载力分析方法研究
关键词：	循环荷载作用;深水海洋;浮式平台;吸力锚;基础变形;承载力
摘要：	张紧式吸力锚是一种重要的深水海洋浮式平台锚固基础。本文针对静荷载与循环荷载共同作用下软土中张紧式吸力锚的变形失稳过程以及承载力的评价方法进行了研究，包括以下几个方面工作：　　依据等效粘弹性理论和蠕变理论，建立了一种能够描述饱和软粘土不排水循环变形和循环累积变形的拟动力粘弹塑性本构模型，该模型包括三个基本参数：循环剪切模量、阻尼比以及八面体循环累积剪应变增量。依据等效粘弹性关系描述土单元的循环应力应变响应，依据蠕变关系描述土单元的循环累积应变响应。　　通过饱和软粘土不排水静三轴压缩试验和静应力与循环应力共同作用下的不排水三轴压缩试验，研究了拟动力粘弹塑性本构模型中参数的变化关系，得出：不同初始应力状态下，土单元循环剪切模量和阻尼比与八面体循环剪应变之间基本遵循同一变化关系，可以依据无静偏应力作用下的三轴试验确定循环剪切模量和阻尼比随八面体循环剪应变的变化关系。利用循环三轴压缩试验确定的模型参数变化关系预测循环三轴伸长试验和循环扭剪试验的结果，并将预测结果与试验结果进行了比较，结果显示：土单元循环剪切模量和阻尼比的试验结果与预测结果基本吻合；三轴伸长试验得到的八面体循环累积剪应变随循环次数变化的预测结果与试验结果基本一致；无轴向偏应力的循环扭剪试验得到八面体累积剪应变随应力循环次数变化的预测与试验结果比较吻合。这些结果在一定程度上说明了拟动力粘弹塑性本构模型对描述不同应力状态下土单元循环应力应变响应的适用性。　　依据循环三轴压缩试验结果，建立了软粘土不排水循环强度随平均应力的变化关系。据此预测循环三轴伸长试验确定的循环强度，得到了与试验值一致的结果。　　进一步，研究了利用拟动力粘弹塑性本构模型分析静荷载与循环荷载共同作用下吸力锚变形失稳过程的拟动力粘弹塑性有限元方法。包括：利用 ABAQUS有限元软件接口程序将拟动力粘弹塑性本构模型嵌入到有限元软件中，利用Matlab语言编制了用于循环累积变形分析的程序，利用Python语言编制了连接动力迭代计算与循环累积变形计算的脚本程序，最终在ABAQUS环境中实现了通过跟踪循环荷载历史计算软土中吸力锚的循环变形和循环累积变形。　　采用拟动力粘弹塑有限元方法，对静荷载与循环荷载共同作用下的吸力锚模型试验结果进行预测，并与模型试验结果进行了比较。比较结果显示：对于预测竖向破坏模式的吸力锚模型试验结果，计算得到的锚循环变形比模型试验结果偏小，循环累积变形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。对预测水平破坏模式的模型试验结果，将剪切模量降低30％进行等效粘弹性动力迭代计算，计算出的循环变形比模型试验结果偏小；计算出的累积变形随荷载循环次数的变化趋势与模型试验结果相比有一定差别；循环荷载作用初期，计算出的循环累积变形大于模型试验结果，随循环荷载作用次数增加，计算出的循环累积变形增量与模型试验结果相比偏小。　　依据在最佳受荷点受力的张紧式吸力锚破坏模式，研究了利用软粘土不排水循环强度，确定软土中张紧式吸力锚在静荷载与循环荷载共同作用下不排水承载力的极限平衡分析方法。提出了两种确定不同破坏区土体的平均剪应力，进而确定软粘土不排水循环强度的方法，最后通过极限平衡分析确定吸力锚的循环承载力。为验证该方法的可行性，对模型试验结果进行了预测，结果显示：预测结果与模型试验结果的平均偏差低于10%，两者较为吻合。　　最后，还研究了利用软粘土不排水循环强度，采用拟静力弹塑性有限元分析方法确定静荷载与循环荷载共同作用下张紧式吸力锚的承载力。将计算结果与模型试验结果进行了比较，结果显示：计算结果小于模型试验结果，两者的平均偏差低于10%，偏于安全。进而说明，可以采用拟静力弹塑性有限元方法评价吸力锚的循环承载力。
作者：	李书兆
专业：	土木工程
导师：	王建华
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文