飽和砂土中吸力式組合三樁基礎(chǔ)抗斜拉承載特性研究

飽和砂土中吸力式組合三樁基礎(chǔ)抗斜拉承載特性研究近年來,隨著深海油氣資源的大力開發(fā),吸力式樁基礎(chǔ)在我國及世界海洋工程中的應(yīng)用發(fā)展迅猛,其憑借施工方便、造價低廉及可回收利用等顯著優(yōu)勢被廣泛的應(yīng)用于各種浮式結(jié)構(gòu)的系泊錨固基礎(chǔ)中。該種樁基礎(chǔ)通常由鋼制大圓桶構(gòu)成。然而由于油氣開發(fā)向深海領(lǐng)域的不斷邁進,新型浮式結(jié)構(gòu)的投入使用對于傳統(tǒng)吸力式樁基礎(chǔ)的承載性能提出了更高的要求,使得單樁的幾何尺寸大大增加,極大提高了運輸和安裝難度、增加了工程造價。吸力式組合三樁基礎(chǔ)的提出可以有效提高樁基礎(chǔ)的整體承載性能,增加基礎(chǔ)整體剛度,并使組合三樁的幾何尺寸趨于合理,重量減輕,方便運輸和安裝,降低工程造價,特別適合作為深海浮式結(jié)構(gòu)的錨固基礎(chǔ)。作為浮式結(jié)構(gòu)錨固基礎(chǔ)的吸力式樁基礎(chǔ)主要在樁身側(cè)面承受向上的斜拉荷載。目前,針對此種加載模式組合三樁基礎(chǔ)承載的研究剛剛起步,尚缺乏被廣泛認(rèn)可的理論體系和計算方法,進行實際工程應(yīng)用還需要做大量的工作。為此,本文依托太原理工大學(xué)的大型土工槽進行了飽和砂土中吸力式組合三樁基礎(chǔ)的大比尺室內(nèi)模型試驗,分析了單樁及組合三樁基礎(chǔ)在斜拉靜荷載作用下的承載特性和破壞機制,并通過ABAQUS有限元分析軟件對模型試驗結(jié)果進行了擴展,得出了一些有益的成果,為組合三樁基礎(chǔ)在實際工程中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。主要研究成果歸納如下:(1)針對1g條件下的室內(nèi)大比尺模型試驗中斜拉荷載的施加方式,自主研發(fā)了一套斜向荷載施加裝置(已獲兩項國家發(fā)明專利),并借助ShapeAccelArray位移計采集了荷載作用過程中單樁及組合三樁基礎(chǔ)的樁身變形。室內(nèi)模型試驗表明組合三樁基礎(chǔ)的抗斜拉承載力要高于同條件下單樁基礎(chǔ)承載力的3倍。對不同長徑比(L/D=7.5,6,4.5)、荷載作用角度(ω=15°,30°,45°)及樁間距(B/D=5,4,3)等不同工況下組合三樁基礎(chǔ)承載特性的試驗分析表明,隨著荷載作用角度的增加、長徑比和樁間距的減小,三樁基礎(chǔ)的斜拉承載力也隨之降低。(2)通過對模型試驗結(jié)果的分析,提出了組合三樁基礎(chǔ)的破壞標(biāo)準(zhǔn),即在樁身最大位移點位移達到樁頂基礎(chǔ)寬度的0.02~0.04倍范圍時,樁基礎(chǔ)進入破壞階段。(3)根據(jù)模型試驗中的樁身位移測試結(jié)果,對飽和砂土中吸力式樁基礎(chǔ)的運動及破壞模式進行了深入分析,當(dāng)荷載作用角度為15°時,三樁和單樁基礎(chǔ)水平位移要大于豎向位移,處于水平破壞模式,而當(dāng)荷載作用角度為45°時,豎向位移明顯增加大于水平位移,三樁及單樁基礎(chǔ)處于豎向破壞模式。當(dāng)荷載作用角度為30°時,可認(rèn)為其破壞模式處于水平與豎向之間的破壞模式。不同破壞模式下樁周土體裂縫呈現(xiàn)不同的形式,水平破壞模式下,受荷樁前土體裂縫分布范圍窄而延伸遠;豎向破壞模式下,受荷樁前土體裂縫分布范圍寬延伸長度短。(4)利用有限元軟件ABAQUS對長徑比為7.5的單樁及組合三樁基礎(chǔ)進行了靜力斜拉荷載作用下的彈塑性模型分析,有限元分析結(jié)果同試驗結(jié)果吻合較好。進一步針對不同樁間距和荷載作用點位置進行了數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明:組合三樁基礎(chǔ)隨著樁間距的減小,其運動趨勢逐漸趨近于單樁基礎(chǔ);組合三樁基礎(chǔ)的斜拉承載力隨著荷載作用點位置的變化呈拋物線分布,最佳荷載作用點位于(0.6~0.667)L處,驗證了模型試驗荷載作用點位置選取的合理性。(5)結(jié)合室內(nèi)模型試驗結(jié)果,利用極限平衡法對斜拉荷載作用下的單樁基礎(chǔ)進行了理論分析,給出了單樁基礎(chǔ)的破壞包絡(luò)線,提出了單樁基礎(chǔ)的極限斜拉承載力公式。提出了組合三樁基礎(chǔ)的等效直徑概念,將組合三樁基礎(chǔ)的抗斜拉承載力計算轉(zhuǎn)化為