考虑软粘土循环弱化效应的重力式防波堤地基承载力分析

摘要

近年来我国港口事业蓬勃发展，呈现出大型化、深水化等特点。大部分建港条件优越的天然海岸线已被开发利用，新建防波堤工程往往需要在自然环境更为不利的海域进行，其波浪条件恶劣，地基也多为软粘土。因此，循环荷载作用下，由于软粘土发生弱化效应而导致地基承载能力下降，影响结构安全使用是亟待解决的问题。为此，本文结合天津港、烟台港软粘土的强度弱化动态规律，研究了波浪循环荷载作用下防波堤结构地基中软粘土的弱化状况，并在此基础上分析了软粘土地基的承载特性。主要工作包括以下几方面内容：
　　1．通过等效超固结比理论，将软粘土的孔压发展模与抗剪强度折减规律结合，拟合得到了软粘土抗剪强度随围压、初始静偏应力、循环动应力以及循环周次变化的弱化规律，该规律反映了软粘土强度在整个动态循环中的弱化过程。
　　2．通过对ABAQUS进行二次开发，编写软粘土材料强度参数随预设场变量变化的USDFLD用户子程序，将软粘土强度循环弱化规律体现在土体材料的两项强度指标内摩擦角?和粘聚力c的动态变化上，使地基中不同位置处各个软粘土材料单元的?、c指标根据单元的动应力水平、静应力水平，随着循环荷载作用周次而发生实时衰减，从而将软粘土强度弱化规律引入有限元模型中。
　　3．通过定义地基承载力折减系数?K，表征考虑软粘土循环弱化时地基承载力的整体降低水平，并拟合得到了?K与波浪动荷载、结构物引起的静荷载以及基床底宽之间的关系。从而由不考虑循环弱化的地基承载力安全系数KNW和地基承载力折减系数?K，可得到考虑循环弱化的地基承载力安全系数KW，进而可利用KW对考虑软粘土弱化的地基承载力进行判别。
　　4．针对半圆型防波堤结构，结合天津港软粘土强度弱化的动态规律，建立了考虑软粘土循环弱化效应的动力有限元模型，分析了波浪循环荷载作用下半圆堤结构地基中软粘土的弱化状况，进一步研究了不同波浪力大小、箱内填砂量、基床底宽、换填厚度等因素对软基弱化的影响。在此基础上，对考虑软基弱化的半圆堤地基承载性能进行了研究，并与未考虑软基弱化的情况进行了对比，发现软粘土循环弱化效应对地基承载力的影响较为显著。
　　5．针对沉箱式防波堤结构，结合烟台港软粘土的强度弱化规律，建立了考虑软粘土弱化效应的有限元模型，研究了不同因素影响下沉箱式防波堤地基中软粘土的弱化状况，分析了软基弱化效应对沉箱式防波堤地基承载能力的影响。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第二章 循环荷载作用下结构-土体相互作用的有限元分析

2.1弹塑性增量有限元分析方法

2.2ABAQUS有限元分析方法

第三章 循环荷载作用下软粘土的强度弱化规律

3.1软粘土强度循环弱化的原因

3.2软粘土强度循环弱化规律分析

3.3天津港软粘土强度循环弱化规律

3.4烟台港软粘土强度循环弱化动态规律

3.5土体强度循环弱化规律在ABAQUS中的实现

3.6本章小结

第四章 考虑软粘土弱化的半圆型防波堤地基承载力数值分析

4.1半圆型防波堤上波浪力的计算

4.2半圆型防波堤的弹塑性有限元模型

4.3有限元分析方法

4.4工程算例

4.5考虑软粘土循环弱化的半圆堤地基承载特性分析

4.6 本章小结

第五章 考虑软粘土弱化的沉箱式防波堤地基承载力数值分析

5.1工程概况

5.2波浪力计算

5.3沉箱式防波堤的弹塑性有限元模型

5.4有限元分析方法

5.5考虑软粘土循环弱化的沉箱式防波堤地基承载特性分析

5.6 考虑软粘土循环弱化的沉箱式防波堤地基承载力判别

5.7本章小结

第六章 结论与展望

6.1本文的主要结论

6.2课题展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢