【摘 要】
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高速增长的经济促使我国对能源的需求日益增加。我国海洋具有丰富的自然资源,包括石油、天然气及风能等。在获取这些海洋能源过程中,需在海上建立海洋平台基础以支撑上部结构。由于施工环境等情况不同,传统的陆地基础（如单桩基础和重力基础等）将变得不切实际和不经济。吸力式沉箱基础是正在开发的一种新型海洋平台基础,其具有抗风浪能力强、承载力高、施工简便和施工周期短等特点,因而被广泛的应用于海洋工程砂土地基中。准确
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高速增长的经济促使我国对能源的需求日益增加。我国海洋具有丰富的自然资源,包括石油、天然气及风能等。在获取这些海洋能源过程中,需在海上建立海洋平台基础以支撑上部结构。由于施工环境等情况不同,传统的陆地基础（如单桩基础和重力基础等）将变得不切实际和不经济。吸力式沉箱基础是正在开发的一种新型海洋平台基础,其具有抗风浪能力强、承载力高、施工简便和施工周期短等特点,因而被广泛的应用于海洋工程砂土地基中。准确地预测砂土地基中沉箱基础的承载力对海洋工程上部结构的安全运行起到至关重要的作用。现有研究主要采用传统的Mohr-Coulomb（MC）模型来评估吸力式沉箱基础在硅质砂地基中的承载力,而忽略了中密及密砂的应变软化特性对其承载力的影响,这导致计算得到承载力不准确。除硅质砂外,海洋地基中也含有大量的钙质砂,其具有高压缩性、易破碎等特点,这些特点使得钙质砂的力学特性与硅质砂的力学特性存在显著的区别,这导致基于硅质砂获得承载力计算方法不再适用于钙质砂地基。本文利用数值模拟、室内试验和理论分析等方法,对海洋砂土（包括硅质砂和钙质砂）地基中沉箱基础承载力展开相关研究。主要研究工作及得到的结论如下:（1）改进了硅质砂的Modified Mohr-Coulomb（MMC）模型,并通过二次开发将该模型嵌入ABAQUS有限元软件中进行计算分析。通过数值分析研究了硅质砂土地基中海上风机的浅沉箱基础水平和抗弯承载力,发现其水平及抗弯承载力随竖向荷载、沉箱纵横比和砂土的相对密度增加而显著增加。另外,随着荷载偏心距的增大,沉箱基础的水平承载力逐渐减小,而其抗弯承载力逐渐增大。基于数值计算结果,提出了一个用于计算不同相对密度的硅质砂土地基中浅沉箱基础水平-抗弯承载力和沉箱基础尺寸的方法。（2）基于改进的MMC模型,通过数值模拟探究了硅质砂土地基中沉箱锚基础抗拔承载力,揭示了眼板位置深度变化改变沉箱锚基础周围的土体的破坏模式,从而影响了基础的抗拔承载力,发现沉箱锚基础具有最大抗拔承载力时对应的最优归一化眼板深度与沉箱纵横比和砂土相对密度相关,且该深度一般为从沉箱顶部起的范围为0.6L～0.7L范围内。基于数值计算结果,提出了沉箱锚基础在硅质砂土地基中的V-H破坏包络线计算方法,并通过与现有的数值及试验结果对比,验证了该计算方法的可行性。（3）进行一系列不同密度、不同轴向应变的钙质砂三轴固结排水剪切试验,发现中密及密实的钙质砂在剪切过程中出现明显的应变软化现象,且峰值应变随着相对密度及有效围压的增加而增加。另外,基于试验前后的颗粒筛分试验,发现颗粒破碎随着相对密度及有效围压的增加而增加,且颗粒破碎速度随轴向应变的增加而先增加后减小。基于修正的颗粒破碎指标,建立了轴向应变、相对密度和应力水平与颗粒破碎值之间的联系,为钙质砂本构模型的研究提供依据。（4）基于改进的MMC模型、现有砂土的颗粒破碎理论框架和钙质砂三轴试验数据,提出了考虑钙质砂土应变-软化及颗粒破碎特性的MMC-PB（Modified Mohr-Coulomb-Particle Breakage）本构模型。通过用户子程序二次开发,将MMC-PB本构模型嵌入ABAQUS有限元软件中进行计算分析。通过与当前的及现有的三轴试验数据对比,发现了三轴条件下的大多数颗粒破碎发生在剪切带周围,剪切导致不均匀系数渐进增加,从而产生更不均匀的试样,验证了该模型可用于捕捉中密及密钙质砂土的颗粒破碎现象及应变软化特性,且表明钙质砂MMC-PB本构模型能够应用于在数值模型计算中。（5）采用数值模拟分析了并开展了一组离心机试验来探究沉箱锚基础在钙质砂地基中抗拔承载力,验证了MMC-PB模型能准确模拟钙质砂与沉箱锚基础的相互作用,揭示了沉箱锚基础在钙质砂地基中拔出时,颗粒破碎现象主要发生在被动土压力区及裙板底部,且沉箱锚基础在荷载作用下平动且未发生转动时,被动区土体发生颗粒破碎现象更为显著。基于数值计算结果,提出了沉箱锚基础在钙质砂土地基中的V-H破坏包络线计算方法,其可为设计者在钙质砂地基中沉箱锚基础的设计提供理论依据。
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