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桶形基础是海洋工程中的一种新型基础,它与地基的相互作用十分复杂。桶形基础、土体和水构成了复杂的流固土耦合体系,而且不同海域的地质情况和环境荷载有自身的特点,如在渤海地区,冰载是海洋平台的控制载荷,在深海,波浪是海洋平台的控制载荷,动载引起的饱和砂土软化或液化问题是海洋平台的一个重要的安全隐患。
由于国内以前没有开展过类似的工作,为了在离心机中模拟动载对桶形基础稳定性的影响,研制了两套离心机动载加载系统设备,主要有模拟动冰载的电磁式激振器、模拟波浪作用的液压式激振器、测量模型试验中孔隙水压力的孔压传感器和测量桶项沉降的位移传感器。在此基础上,对粉砂地基上桶形基础的承载特性进行了离心模型试验研究,通过测量桶形基础变形和受力、周围土体中的超静孔隙水压力和土体变形等参数,考察了桶形基础在长期等效动载作用下的稳定性及动力响应特性,并通过数值计算来验证和分析了桶形基础水平静极限承载力特性。
对水平等效动冰载作用下桶形基础的动态响应研究结果表明:当载荷幅值超过一定值时,在加载前期周围土体软化或液化,土体强度降低,桶形基础有较大沉降,桶形基础承载力有所降低,随着加载时间的延长,周围土体逐渐固结密实,动力响应逐渐趋于稳定,桶形基础承载力也有所提高,整个桶一土系统达到一种新的稳态;地基影响区域存在一个极限,沿水平方向和深度方向,动态响应逐渐衰减;载荷幅值、载荷频率、平台上部结构重、地基材料参数、桶径比等是影响桶形基础动态响应主要参数,载荷幅值越大,载荷频率越高,桶形基础高度越小,桶形基础整体刚度越小,土体的动力响应越明显;桶形基础的稳定性随结构重的增加而提高,但同时随着结构重的增加,桶顶沉降也增加;地基表面有粘土层时,桶顶沉降的速度减缓;通过对比试验前后桶形基础的水平静极限承载力,发现受到长期动载荷后(孔压消散以后),桶形基础水平静承载力没有减小。
对竖向等效波浪载荷作用下桶形基础的动态响应研究结果表明:当桶形基础振动位移幅度超过一定值时,在加载前期周围土体软化或液化,土体强度降低,桶形基础抗拔承载力降低,随着加载时间的延长,周围土体逐渐固结密实,桶内产生负孔压,桶形基础抗拔承载力有所提高;桶形基础周围土体,沿深度方向,最大超静孔隙水压力相接近,且桶底附近稍微大些;沿水平方向,最大超静孔隙水压力从近到远近似线性衰减;随着桶形基础振动位移幅度的增加,周围土体液化的速度越快,地基影响范围越大,桶形基础沉降越大。
应用ABAQUS有限元软件对多桶桶形基础的水平静极限承载力进行数值计算,与试验结果吻合较好,从而证明计算模型的合理性。应用此计算模型计算了JZ9-3桶形基础系缆平台的水平静极限承载力,得出了各关键部位的载荷一位移曲线。