饱和土中大直径钢管单桩频域特性与复杂水平荷载下受力变形性状研究

The project is proposed and focused on the interaction system of large-diameter tubular monopile embedded in saturated soil by using semi-analytical method, geotechnical laboratory triaxial experiments as well as model tests and large scale numerical computation. Based on de Boer’s porous media theory, the impedance of monopile is obtained and then a frequency-dependent simplified model of the interaction system of large-diameter tubular monopile is established by modeling the monopile as Timoshenko beam and integrating the derived impedance. Simultaneously, the subroutine of an unified bound surface model is developed based on return mapping algorithm and coupled with the weak form of governing equations of de Boer’s porous media theory. Furthermore, the 3D coupled numerical model of the interaction system of large-diameter tubular monopile is established in the time domain. Based on the proposed frequency-dependent simplified model and the time-domain numerical model, extensive parametric analyses are conducted by changing the factors such as seabed, pipe pile and load conditions to intensively investigate the horizontal vibration characteristics and mechanical behavior of pile-soil system subjected to complicated lateral loads.

本项目拟将以饱和土中大直径钢管单桩相互作用体系为研究对象，以半解析频域简化分析、大型三维耦合有效应力时域数值分析、土工试验及模型试验相结合的技术手段，首先将大直径钢管单桩简化成可考虑剪切变形和竖向静载影响的Timoshenko梁模型，基于de Boer多孔介质理论和矩阵传递法推导建立饱和土-大直径钢管单桩相互作用体系频域水平振动模型算法，并进行振动特性分析；同时，采用映射回退隐式应力积分算法开发黏土-砂土统一边界面塑性本构模型子程序，并与de Boer多孔介质控制方程的积分弱形式耦合，发展建立三维饱和土中大直径钢管单桩相互作用体系时域有效应力耦合数值模型及进行模型算法验证分析；进一步地，分别通过改变荷载条件、饱和土性及管桩尺寸、埋深等因素进行参数化数值外推分析, 全面深入研究饱和土中大直径钢管单桩相互作用体系频域水平振动特性和复杂水平荷载作用下受力变形性状规律。

在“海洋强国”和“交通强国”的国家战略大背景下，近海交通和能源基础设施建设正逐步从规划初期向实质开展阶段过渡，并呈现出大型化和规模化趋势。近海交通和能源重大基础设施工程往往投资巨大，建设工期较长，一旦发生安全问题将会对地区及行业经济造成重大损失和不利影响。对于近海重大交通与能源工程中广泛采用的饱和土中大直径钢管单桩体系研究更显其重要性。这涉及到饱和地基双相介质耦合性和静动力受力变形非线性等诸多复杂因素，是岩土工程、防灾减灾工程和近海工程所关注的交叉热点问题。本课题以近海交通与能源基础设施中广泛采用的大直径钢管桩为具体研究对象，对饱和土中大直径钢管单桩体系频域水平动力特性和复杂荷载下受力变形性状开展了深入的研究。具体包括三个方面：（1）利用三维连续介质模型考虑单相土的波动效应，结合桩身连续介质模型、桩-土界面相对滑移模型及土体径向圈层模型，建立了适用范围广泛、完备性较好的多种纵向和水平动载作用下单桩-土动力相互作用理论模型，并系统分析了荷载作用下桩基动力响应的影响因素与规律；（2）基于动力系统拉格朗日描述，考虑随机动力系统概率密度求解非负性，编制了具有TVD性质的概率密度演化方程求解程序，提出和发展了单桩桩承体系时域分析的耦合计算模型与高效算法，求解和探讨了参数不确定性对大直径单桩桩承结构动力响应的影响规律；（3）分别完成了基于Ontology本体的桩基完整性评价智能知识库研发及快速评价程序和基于边缘计算节点的桩承结构模态监测分析系统研发工作。本课题相关研究成果对揭示饱和地基中大直径钢管单桩体系的频域振动特性和复杂水平荷载作用下受力变形性状具有重要的科学价值，对于近海交通和能源等重大基础设施建设具有重要的理论参考和实践指导意义。