筒型基础静压沉放阻力与负压沉放渗流场分析

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筒型基础能否顺利安装就位,是其实现工程应用的前提。筒型基础沉放分为自重(静压)沉放和负压沉放两个阶段。本文结合模型试验,通过有限元方法,对筒型基础在砂土和粘土中的静压沉放挤土效应以及沉放阻力特性进行分析,同时针对负压沉放阶段土体的渗流场和临界负压进行了研究,主要内容如下:(1)首先研究筒型基础在砂土中静压沉放过程。针对贯入模拟中网格扭曲过大的问题,采用ALE方法,并考虑筒-土摩擦,实现了筒型基础从土表面到预定深度连续沉放全过程的动态数值模拟。数值分析结果同试验实测符合良好,证明了该方法在模拟贯入问题的可靠性。分析数值模拟结果中筒壁内外侧土体应力场、位移场以及最大主应力矢量,阐释了筒壁内侧挤土效应远大于外侧的挤土机理及筒壁贯入过程中的“土拱”效应。之后对剪胀角、内摩擦角以及筒-土接触面摩擦系数进行参数敏感性分析,为该类贯入问题参数选择提供参考。最后依据数值分析及试验实测结果,考虑筒壁内外侧挤土效应的差异,对传统阻力计算公式进行改进,并利用改进后公式计算沉放总阻力,讨论筒型基础在砂土中静压沉放的阻力特性。(2)参照单筒模型试验,建立有限元模型模拟了筒型基础在粘土中连续沉放的动态过程。分析筒壁内外侧土体的应力场和位移场,阐述筒型基础在粘土中沉放的挤土效应。根据沉放过程中内外壁摩阻力、端阻力及总阻力随沉放深度变化曲线,分析筒型基础在粘土中的沉放阻力特性。最后对带分舱板的海上风机复合式筒型基础建立沉放模拟数值模型,分析其沉放过程中阻力特性。(3)筒型基础沉放过程是“土体—渗流—结构”耦合作用的过程。运用有限元方法对单筒负压沉放过程进行渗流/应力耦合的瞬态分析,建立不同渗透系数的多个渗流计算模型,定性分析了土体渗透性能对负压减阻效应的影响。将砂土中瞬态分析结果同传统稳态分析对比,可知,稳态分析算得的临界负压较大,偏于危险。之后对带分舱板的复合型筒型基础负压沉放的渗流场进行了稳态分析,得到分舱板对渗流场及临界负压的影响。最后针对调平工况,建立不同倾斜角度下单舱施加负压和三舱施加负压的渗流分析模型,定量分析两种调平方式下,不同倾斜角度对应的临界负压随沉放深度变化,并据此对调平施工提供了建议。
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