海底管线地基土体塑性及剪切破坏分析

提出一种分析管线地基极限承载力的平面应变有限元模拟方法,采用自适应网格技术和接触对算法模拟管线嵌入土体的准静态过程,利用修正Drucker-Prager/Cap本构模型模拟土体塑性.研究不同土性和管土界面摩擦条件下,管线地基土体的塑性变形及位移场特性.利用载荷沉降曲线并结合地基塑性应变分布图和位移矢量图,可判别管线地基的剪切破坏型式、确定地基极限承载力.     

弹塑性海床上海底管道的稳定性分析

采用大型的通用有限元软件对管土系统进行分析.采用Ramberg-Osgood弹塑性模型模拟海床土体,采用“接触对”（contact pair）的算法处理管土接触面,数值模拟显示,随着管道水下重力的增大,管道下方土体的塑性区域逐渐扩展,相应的管道沉降量也逐渐增大,并明显高于弹性模型的计算值.通过改变管道参数进行对比计算,结果表明,这些参数对管道的沉降量、摩擦力、极限阻力都有一定程度的影响.     

考虑沟槽深度及土体吸力影响的SCR与海床土体循环作用分析

悬链线立管与海床土体的相互作用对立管的疲劳寿命影响很大,而管土作用的机理又十分复杂,海底沟槽以及海床土体吸力都会对立管力学特性产生影响,文章以Aubeny等提出的管土作用完整P-y曲线为基础,在有限元分析软件ANSYS中采用非线性弹簧模拟海床土体,计算中考虑了土体吸力;模拟了三种位移幅值下管土循环作用时沟槽深度的变化,分析了沟槽段各点弯矩及应力随深度的变化规律,同时对比了三种情况下管道最深点的弯矩及应力随加载时间的变化关系,为进一步分析管土循环作用提供了参考。     

海底管线抗震设计方法研究

现用海底管线的地震应力计算方法存在着计算应力过大、管线几何参数和埋设深度对计算结果几乎没有影响等问题,研究在考虑了海底管线实际埋设环境的基础上,通过计算发现在设计地震条件下,管土之间的约束实际上已进入了塑性滑移状态.结合理论分析,给出了考虑地震时管线周围约束土壤进入塑性滑移状态后的极限地震应力计算方法,来计算海底埋设管线在地震作用下所产生的最大地震应力.并用该新方法分析了一实际管线工程的地震应力,通过与现用方法计算结果的比较,证明该方法克服了现用设计方法仅考虑管土之间为弹性约束、管线几何尺寸对抗震设计影响很小等问题,有效反映了实际铺设环境对海底管线地震应力的作用.最后通过新的应力计算法,结合工程实例计算,进一步明确了管线几何参数和埋设深度对极限地震应力的影响规律,为准确计算海底管线的地震应力、制定海底管线抗震规范、进行在役海底管线的地震风险评估和寿命预测奠定了基础.     

海底埋设管线平管起吊运动分析

基于有限元软件OrcaFlex,充分考虑不规则波浪、海流、管土相互作用以及船舶管线耦合运动,建立海底埋设管线平管起吊模型。参考DNV-RP-F110计算埋深管道受到的土壤阻力,依据DNV-RP-C205确定相关水动力系数。通过数值模拟研究分析管线在平管起吊过程中管道的运动响应以及吊绳张力的时间历程变化,为实际海底管线平管起吊提供一定理论参考。     

盾构隧道斜穿管群的数值模拟与实测分析

文中以地铁盾构下穿污水管线的工程为背景,通过ABAQUS对盾构机多次下穿污水管群进行了计算、分析,充分考虑了隧道、管线、土体三者之间的相互作用。通过数值软件对盾构隧道下穿污水管群的动态过程进行模拟,得到了管线和地表的沉降。并与现场实测的结果进行了对比,发现两者的数据有较好的吻合,由此验证了数值分析的合理性和可靠性。同时得到了盾构隧道斜穿管群的一些基本规律,对于以后的工程有借鉴意义。     

支护水平位移对支护后土体变形的影响

支护结构的位移主要是水平位移,它将导致支护后土体的变形,并将对周围建筑物和地下管线的安全产生影响;本文通过力学理论分析给出了支护水平位移导致的土体水平应变变化规律公式,并根据公式得到了土体变形的影响区域;针对某实例,通过比较发现:力学近似公式得到的土体水平应变变化规律和影响区域,与有限元模拟结果十分接近,说明近似公式是合理的。这为通过支护位移控制周围建筑物及地下管线的位移,提供了依据。     

强夯加固饱和软土地基的数值模拟方法及算例

本文通过理论分析、数值模型、与工程实例计算相结合的方法,对天津地区强夯加固饱和软土地基进行了动力耦合数值模拟分析。研究主要考虑地基土体在强夯条件下孔压的分布范围及孔压消散曲线。本文通过数值模拟,研究了不同夯锤落距、土体渗透性及土体弹性模量条件下,受强夯影响范围内土体(沿横向、纵向)最大正孔压和最大负孔压的分布规律及消散机理。并结合天津港工程实例,分析了强夯实施过程中,分层土体对正、负孔压的产生及消散规律的影响。     

基于旧码头改造的钢管板桩结构静力分析

结合国内某港区散杂货泊位改造工程,对基于高桩码头改造所产生的新建钢管板桩结构进行数值分析。首先,建立数值模型,将传统板桩码头前墙结构受土压力作用的数值计算结果与理论计算结果进行比较,验证数值方法的准确性;其次,基于此数值方法建立研究土体边界选取的三维数值模型,分析土体的边界范围对码头结构应力的影响;最后,对钢管板桩结构进行运营荷载作用下的三维数值模拟,对结构的应力及位移进行分析。通过数值模拟及理论分析发现:在钢管板桩结构数值模型中,当土体边界达到60～80 m时,可以忽略土体的边界效应;在码头面设计荷载作用下,新建结构所受土压力和产生的位移小于传统的板桩码头结构。     

基于ALE、CEL法的管土垂向相互作用数值模拟对比分析

深海管道在自身重量、水压以及铺设的作用下会嵌入到海床的一定深度处,其中管土垂向相互作用会对管道在海底的在位稳性造成影响,选择合适的数值计算方法来处理地基土壤网格有重要意义.文中基于Lagrangian、ALE、CEL法开展了管土相互作用的数值模拟对比分析,得到管道下沉位移—抗力载荷关系曲线,与现有理论研究成果进行了对比.研究了网格尺寸大小、管道贯入速度及管道与土壤接触表面的不同粗糙度等因素对管土相互作用模拟方法的影响,通过ALE、CEL法对无量纲化参数E_u/S_u、土壤容重γ′进行了参数敏感性分析.分析结果表明:ALE、CEL法均较Lagrangian法具有更高的准确性.其中ALE法更适合接触面粗糙的情况,CEL法更适合接触面光滑的情况,并且判断出网格尺寸敏感性和贯入速度影响程度的临界点通常出现在10%～20%管径深处;当E_u/S_u的取值在400～1 000,参数对荷载位移关系几乎没有影响;当管道的贯入深度为10%管径,是判断土壤容重参数敏感性的临界位移.     

考虑不同管土作用模型的海底多跨管道动力特性

当前,海底多跨管道涡激振动分析多将管土段简化为固支或简支边界.针对此问题,采用3种更为复杂的土体模型,研究对比不同管土作用对多跨管道涡激振动特性的影响.采用尾流振子模型模拟流-固耦合作用,构建考虑流-固-土多场耦合的悬跨管道涡激振动预报模型,分析不同土体模型下的管道动力学规律.研究结果表明:不同的管土模型会对管道振动产生不同程度的影响,且管土非线性作用会明显制约管道的振动特征,使最大位移幅值和局部应变等发生改变.     

钢质悬链线立管与海床土体相互作用的数值模拟

对海洋钢悬链线立管(SCR)与土体的相互作用研究越来越得到业界的重视,不同计算方法得到的结果准确性如何尚未做过对比分析.文章采用有限元法和有限差分法对管—土的相互作用进行了数值计算.在有限差分法中采用弹簧单元,在有限元法中采用接触单元模拟悬链线立管与海床土体的相互作用,得到端部施加不同位移载荷下的立管弯矩、土体反力、触底点位置并与实验结果作比较.分析了端部位移载荷大小对触地点(TDP)位置及对土体反力的影响.文中采用的方法在模拟静态端部位移加载下的管—土相互作用与实验结果吻合较好.为进一步模拟循环载荷下管—土相互作用奠定了基础.     

基于ABAQUS的真空预压插板深度的研究

通过ABAQUS大型有限元软件模拟了实际工程中的部分加固过程,验证了此类工程数值模拟的可行性。ABAQUS有限元软件计算的地基沉降规律和沉降值与实测结果非常接近,其中不一致部分为简化计算引起的误差。通过模拟不同插板深度的加固,对比了对应深度的加固效果,分析了底层的固结沉降效果。得出真空预压插板深度的变化会对工程加固效果产生影响,其中对底层土体影响较为显著;排水板打设穿过目标软基底部一定深度可有效提高底层土体固结度,进而提高软基整体加固效果。     

沉桩挤土效应对桩周土体径向位移数值分析

沉桩过程中桩周土体会发生挤土效应,产生较大的应力和位移,引起桩周土体侧向移动、地表隆起,甚至影响相邻建筑物的基础稳定及安全,造成不利的后果[1]。文章利用有限元分析软件ABAQUS,建立合理的二维轴对称模型,采用修正剑桥屈服准则,有效解决理论不能考虑的大变形问题、地基初始应力场、接触问题,结合离心试验[2]数据,验证模型的准确性,更加真实地模拟沉桩挤土效应。对不同深度及不同土质参数情况下挤土效应产生的径向位移进行分析,研究沉桩过程中桩周土体径向位移的变化规律。     

锚泊系统起锚破土阻力分析

为提高船舶在起锚过程中的效率与安全性,在经典理论公式基础上,通过ABAQUS软件模拟锚泊系统起锚破土过程,建立阻力数值分析方法,得出数值分析结果与土体流动机制。将阻力数值解与理论解进行对比分析。结果表明,数值分析方法比理论公式的结果更加符合预期效果,并且能够模拟土壤流动情况。     

基于ANSYS模拟潜坐结构吸附力

基于ANSYS软件分析结构物提升过程中淤泥质海床对结构物的吸附力,模拟结构物在提升力作用下土中的应力应变情况。结合ANSYS中的接触分析、单元生死,以及DP材料来模拟土体,分析确定极限吸附力的大小,并与理论公式计算结果进行比较;分析结构物周围土体在提升力作用下位移场分布变化及结构物与土体相互作用时的复杂应力状态。     

大直径环梁支护下深基坑开挖的数值分析

深基坑开挖必然会引起支护结构及周围土体的变形,而大多数深基坑工程都位于城市繁华地段,必须保证基坑和周边环境的安全。本文结合天津地区某深基坑工程实例,使用有限元分析软件ABAQUS对该深基坑开挖进行了数值模拟。分析时选用摩尔-库伦土体本构模型,并考虑了深基坑分步开挖,逐级加撑和围护桩与土体的相互作用,计算出了深基坑开挖过程中支护结构的变形、基坑周围土体变形及坑底变形。将数值模拟结果与现场实测数据进行了对比分析,讨论了深基坑开挖过程中支护结构及土体的变形规律。得出一些对深基坑工程设计和施工有实际意义的结论,可为今后类似的工程提供一定的借鉴。     

强夯数值模拟及设计参数研究

根据强夯处理高填方时土体存在局部大变形的特点,采用非线性有限元理论,导出弹塑性大变形有限元动力平衡方程,对高填方强夯处理进行数值模拟,得到夯坑形状、土体应力变化及塑性区开展等结果,并依据数值模拟结果对强夯加固的主要设计参数进行初步探讨。     

采用ANSYS 5.7的海底管线起吊过程非线性有限元静力分析

海底管线安装过程中经常采用对接起吊法,在这一过程中管线应力状态较复杂,管线的变形属于大位移几何非线性变形,同时还要考虑管线的双层结构.本文采用有限元分析软件ANSYS5.7模拟管线的起吊过程,采用ANSYS5.7提供的点点接触单元(Contact 52),浸没管单元(Pipe59),直管单元(Pipe16)对管线起吊过程进行接触非线性和几何非线性有限元分析,得到了较为满意和直观的结果.计算结果可以给出指定起吊高度情况下的管线内管、外管的应力分布以及管线和海底泥面接触点的位置,进而可以校核起吊过程中管线内、外管的强度和稳定性是否满足要求.为海底管线起吊对接计算提供了一种新的思路和方法.     

铰连接在深水S型铺管中的应用

为了能够在S型铺管过程中将管线、船体和托管架三者作为一个整体进行耦合分析,使用势流理论用于计算船体受到的波浪力,广义弹性接触面法模拟托辊与管线之间的接触,采用带有铰接刚度的铰连接来模拟管线的上弯段,集中质量法用于模拟管线的中垂段和下弯段。通过时域全耦合方程将整个系统联立求解,并将这种方法的结果和未考虑上弯段管线接触的结果与实验值进行了对比发现:新计算方法能够使管线受力和船体运动都更为接近于实际值。对管线张力进行了谱密度分析,得到了对管线张力作用较大的频谱范围,为其在不同海况下的适应性提供了技术参数。