深水锚固基础循环变形失稳过程分析理论与方法研究

通过理论分析，研究能够描述静荷载与循环荷载共同作用下，深水锚固基础地基土单元循环应变与循环累积应变的拟动力本构关系和跟踪循环应力时程的弹塑性本构关系。通过不同试验应力条件下的土动力试验，研究本构关系参数的变化规律，分析不同试验应力条件下本构关系参数变化规律之间的联系，阐明用于分析深水锚固基础循环变形失稳过程的本构关系参数确定方法。进一步，研究利用所建立的本构关系，通过三维有限元计算，分析深水锚固基础失稳过程的拟动力方法以及跟踪循环荷载时程的弹塑性数值仿真方法。为说明本构关系与分析方法的可行性，选择深水软土中典型的锚固基础，进行1g条件下静荷载与循环荷载共同作用下基础变形失稳的模型试验。通过对预测结果与模型试验结果的对比，阐明分析锚固基础变形失稳过程数值方法的合理性。通过本课题的实施，力争在按变形过程评价静荷载与循环荷载共同作用下深水锚固基础稳定性的理论与分析方法方面获得突破性进展。

研究静荷载与循环荷载共同作用下软土中锚固基础变形失稳过程的分析理论与方法，对深水软土中锚固基础设计与稳定性评估和土动力学发展有重要意义。项目通过理论分析、试验与数值仿真研究，建立了分析静荷载与循环荷载共同作用下软土中锚固基础变形失稳过程的拟动力与增量弹塑性三维有限元数值仿真分析方法。项目首先对描述静荷载与循环荷载共同作用下软土不排水应力应变响应的本构关系进行了研究。依据等效粘弹性与蠕变理论，建立了拟动力粘弹塑性本构模型，提出了通过常规循环应力作用下不固结不排水三轴压缩试验确定模型参数的方法。拟动力模型不详细追踪循环应力路径，按三维等效粘弹性关系描述循环应变响应，依据蠕变势理论描述土单元循环累积偏应变关系，能以简洁的方式描述三维应力状态土单元的不排水循环应力应变响应。又依据非等向硬化模量场理论，在偏应力空间中，建立了描述静荷载与循环荷载共同作用下软土不排水应力应变响应的增量弹塑性边界面模型。该模型特点是只有三个模型参数，物理意义明确，模量插值函数简单，且可以通过静应力与循环应力共同作用下常规不排水三轴压缩试验确定模型参数。该模型在跟踪循环应力路径时，通过变换映射中心位置，描述不同应力状态土单元不排水循环应力应变响应。进一步，把拟动力模型与增量弹塑性模型嵌入到ABAQUS有限元软件中，建立了分析静荷载与循环荷载共同作用下软土中锚固基础变形失稳过程的拟动力与增量弹塑性三维有限元数值仿真分析方法。为验证分析方法可行性，进行了软土中吸力锚及法向承载锚在静荷载与等幅（变幅）循环荷载共同作用下变形失稳过程的模型试验。试验中测量了循环荷载作用下的变形时程，不同区域土体中累积孔压的变化，首次揭示出吸力锚锚底土体中累积孔压大于被动侧土体中累积孔压这一现象，为解释循环荷载作用下锚的破坏模式变化提供了依据。利用建立的分析方法对不同试验条件下的吸力锚、法向承载锚循环变形失稳过程与破坏模式进行预测，结果与模型试验结果基本吻合。这表明两种分析静荷载与循环荷载共同作用下软土中锚固基础变形失稳过程的方法是可行的。本项目在按变形过程评价静荷载与循环荷载共同作用下深水软土中锚固基础的稳定性理论与分析方法方面获得一定突破。项目还研究了估算软土中锚固基础循环累积变形的拟静力法，确定软土中吸力锚循环承载力的极限平衡法与拟静力有限元法，并取得成果。研究过程中还开发出两种用于模型试验的新型循环加载装置。