裙式吸力基礎(chǔ)豎向承載特性有限元分析

張磊 張文惠

摘 要：裙式吸力基礎(chǔ)對(duì)于提高風(fēng)電塔架基礎(chǔ)承載特性具有顯著的意義。本文通過有限元模擬分析，對(duì)傳統(tǒng)和裙式兩種吸力基礎(chǔ)的豎向承載特性進(jìn)行了比較，結(jié)果表明裙的設(shè)置，有效提高了吸力基礎(chǔ)的豎向承載力，分擔(dān)了基礎(chǔ)頂板所受到的土抗力。

關(guān)鍵詞：有限元分析；裙式吸力基礎(chǔ)；豎向承載特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.194

0 引言

裙式吸力基礎(chǔ)相較于傳統(tǒng)海洋樁基礎(chǔ)，具有施工快速、簡便，可重復(fù)利用等優(yōu)勢，更加適用于復(fù)雜的海洋環(huán)境。針對(duì)吸力基礎(chǔ)的豎向承載特性，國內(nèi)外許多專家學(xué)者通過理論推導(dǎo)、數(shù)值軟件分析、離心機(jī)試驗(yàn)及模型試驗(yàn)等方法進(jìn)行了大量的研究。本文就針對(duì)采用有限元軟件的吸力基礎(chǔ)豎向承載特性進(jìn)行了分析，得出了裙結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)豎向承載特性影響的結(jié)論。

1 有限元模型

1.1 參數(shù)設(shè)置

應(yīng)該參照試驗(yàn)所用基礎(chǔ)模型尺寸確定合適的裙式吸力基礎(chǔ)尺寸，主要包括主桶直徑、主桶高度、裙寬和裙高，同時(shí)，要保證模型箱尺寸設(shè)置的合理性，以滿足邊界條件的需求。裙式吸力基礎(chǔ)采用泊松比為0.16，彈性模量為16GPa的線彈性模型，而在有限元運(yùn)算過程中，砂土地基材料參數(shù)的確定需要依據(jù)實(shí)際試驗(yàn)用砂來進(jìn)行。

1.2 模型建立

在建立模型時(shí)，采用主—從面接觸的接觸類型，主面為吸力基礎(chǔ)面，從面為土體面其中主面的剛度較大，而從面的剛度較小，接觸面的摩擦系數(shù)為0.25。數(shù)值模擬分為兩個(gè)分析步進(jìn)行，第一個(gè)分析步是生成初始自重應(yīng)力場；第二步是采用位移控制式控制所加載的豎向荷載，設(shè)置相應(yīng)的沉降量。有限元模型的計(jì)算范圍如下：深度為桶高的5倍，水平為桶徑的10倍，底部邊界為固定約束，外圍邊界為水平約束，邊界條件選取固支、反對(duì)稱或?qū)ΨQ類型。試驗(yàn)結(jié)果主要是對(duì)基礎(chǔ)豎向荷載與沉降、應(yīng)力分布及周圍土體隆起量之間的關(guān)系[1]。

2 吸力基礎(chǔ)豎向承載力有限元分析

通過有限元分析吸力基礎(chǔ)豎向承載力與長徑比之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)而言，其豎向承載力的極限值隨著長徑比的增加而增加，且隨著長徑比的增加，吸力基礎(chǔ)破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的沉降量越大[2]。試驗(yàn)結(jié)果表明，基礎(chǔ)頂板下方中心位置的土壓力最大，越靠近邊緣土壓力建越小，且統(tǒng)一位置的土壓力隨著長徑比的增大而增大，主要原因在于長徑比的增加，使得吸力基礎(chǔ)豎向承載力的極限值和土體的變形量也得到相應(yīng)的增加，也就意味著土抗力的增加。此外，隨著長徑比的增加，吸力基礎(chǔ)周圍土體的豎向隆起量也越大。

其次，對(duì)于裙式吸力基礎(chǔ)而言，其豎向承載特性主要與裙高和裙寬有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著裙高的增加，吸力基礎(chǔ)豎向極限承載力而降低，主要原因在于，裙高的增加使得主桶與基礎(chǔ)周圍土體相隔離，進(jìn)而導(dǎo)致基礎(chǔ)的承載力會(huì)有所下降；裙寬對(duì)基礎(chǔ)豎向承載力的影響比較明顯，基礎(chǔ)極限承載力往往會(huì)隨著裙寬增加而顯著增加。在保持裙高和裙寬一定的情況下，研究長徑比對(duì)筒體各部位承擔(dān)載荷比變化情況，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著長徑比的逐漸增加，筒體內(nèi)外壁承擔(dān)的阻力逐漸增大，而其他部位，如裙尖端部、桶尖端、裙內(nèi)外壁及頂板等所承受的摩阻力緩慢減小。筒體內(nèi)外壁承受的載荷的比重約占90%，而其他部位搜承受荷約占10%，相較于傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)而言，頂板發(fā)揮的作用大大降低，這表明“裙”結(jié)構(gòu)的設(shè)置發(fā)揮到了明顯的作用[3]。此外，吸力基礎(chǔ)周圍土體的隆起量隨著裙高的增加而減小，而隨著裙寬的增加而增加?？傊?，為了保證裙式吸力基礎(chǔ)豎向承載特性達(dá)到最大化的效果，就必須要選擇合適裙尺寸。

3 有限元分析結(jié)果

通過有限元分析，裙式吸力基礎(chǔ)較之于傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)，其豎向極限承載力得到了顯著的提高。裙式吸力基礎(chǔ)的豎向極限承載力會(huì)隨著裙高的增加而有所降低，隨著裙寬的增加而顯著提高。頂板下部的土壓力分布方面，傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)和裙式吸力基礎(chǔ)頂板底部的土壓力分布都符合中心位置最大，越靠近邊緣位置越小的規(guī)律。裙式吸力基礎(chǔ)頂板下方的土壓力分布也會(huì)受裙結(jié)構(gòu)尺寸的影響，裙寬不變，裙高增加，土壓力減??；裙高不變，裙寬增加，土壓力增加。周圍土體隆起量方面，試驗(yàn)研究表明，裙寬保持不變的情況下，裙高為零時(shí)，基礎(chǔ)周圍土體隆起量最大，然后，周圍土體隆起量會(huì)隨著裙高的增加而有所降低；裙高保持不變的情況下，裙寬增加，周圍土體隆起量會(huì)有所增大。由此可見，對(duì)于裙式吸力基礎(chǔ)的豎向承載力而言，確定合適的裙結(jié)構(gòu)尺寸是非常重要的。裙式吸力基礎(chǔ)受豎向承載力的時(shí)候，發(fā)揮抗組作用的結(jié)構(gòu)除主桶端部、內(nèi)外桶壁和主桶頂板之外，由于裙結(jié)構(gòu)的設(shè)置，裙端、裙壁和裙結(jié)構(gòu)頂板等對(duì)基礎(chǔ)的承載力也發(fā)揮著非常重要的作用。其中，各部位所承受的豎向載荷比例是不同的，約90%的豎向載荷由主桶內(nèi)外壁和基礎(chǔ)頂板承擔(dān)，主桶內(nèi)外壁所承受的摩擦力試著其長徑比的增加而不斷增加，而裙內(nèi)外壁側(cè)阻力和尖端阻力所占的比例比較小。值得關(guān)注的是，相較于傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)而言，裙式吸力基礎(chǔ)主桶頂板發(fā)揮的作用要小得多，因此，吸力基礎(chǔ)中裙結(jié)構(gòu)的引入對(duì)分擔(dān)阻力發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)語

總而言之，通過有限元模擬分析，裙式吸力基礎(chǔ)的承載特性，如豎向極限承載力，頂板下方的土壓力分布情況及周圍土體隆起量與裙結(jié)構(gòu)尺寸密切相關(guān)。實(shí)際工程應(yīng)用中，需要結(jié)合工程的實(shí)際情況和標(biāo)準(zhǔn)要求，合理的選擇裙結(jié)構(gòu)尺寸。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭彥雪.裙式吸力基礎(chǔ)豎向承載特性有限元分析[J].工程建設(shè)，

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[2]李大勇，黃婷，翟漢波等.豎向荷載作用下砂土中裙式吸力基礎(chǔ)承載特性[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2015，47（05）：10-16.

[3]閆澍旺，霍知亮，楚劍等.黏土中負(fù)壓桶形基礎(chǔ)下沉與承載性試驗(yàn)及有限元分析研究[J].工程力學(xué)，2016，33（01）：122-132.