CN116151061B

CN116151061B - 筒型基础持力层最大深度确定方法和装置、存储介质

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Publication number: CN116151061B
Application number: CN202211569333.7A
Authority: CN
Inventors: 梁超; 刘润; 宋毅然; 李斌; 刘爱民
Original assignee: Tianjin University; Tianjin Port Engineering Institute Ltd of CCCC Frst Harbor Engineering Co Ltd
Current assignee: Tianjin University; Tianjin Port Engineering Institute Ltd of CCCC Frst Harbor Engineering Co Ltd
Priority date: 2022-12-08
Filing date: 2022-12-08
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2042-12-08
Also published as: CN116151061A

Abstract

本发明公开一种筒型基础持力层最大深度确定方法和装置、存储介质，包括：根据包含软土持力层的条形基础承载力计算模型和包含下卧层的条形基础竖向承载力持力层最大深度分析模型，得到持力层最大深度承载力参考影响率；根据包含软土持力层的三维筒型基础承载力计算模型和包含下卧层的筒型基础竖向承载力持力层最大深度分析模型，得到筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率；根据持力层最大深度承载力参考影响率和筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率，得到筒型基础在竖向荷载作用下持力层最大深度。采用本发明的技术方案，可分析筒型基础不同土层条件下的最大持力层深度，适用于实际工程条件，并且实际应用操作性强。

Description

筒型基础持力层最大深度确定方法和装置、存储介质

技术领域

本发明属于筒型基础结构技术领域，尤其涉及一种筒型基础持力层最大深度确定方法和装置、存储介质，进一步涉及一种竖向荷载作用下筒型基础在软土地基上的持力层最大深度确定方法和装置、存储介质。

背景技术

筒型基础结构目前由于其良好的竖向承载和抗倾覆性能在海洋工程领域逐步发展。筒型基础受到的荷载超过极限承载力设计值时，会引发地基加速沉降破坏从而造成极大经济损失。在浅海海域海床表层分布有不同厚度的软土。极限承载力计算要考虑到基础尺寸及持力层深度内所有土层的性状，但目前针对筒型基础竖向承载持力层深度的确定仍未得到较好的解决，因此明确承载影响深度并量化其对海上风机宽浅式筒型基础承载特性的影响，成为确定筒型基础的承载力设计值及研究其承载特性中不可或缺的一环，具有重要的工程意义。现有持力层最大深度确定方法存在以下问题：土体参数存在过多假设，只适用于单层均质黏土，且理论计算只适用于条形基础。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种筒型基础持力层最大深度确定方法和装置、存储介质，可分析筒型基础不同土层条件下的最大持力层深度，适用于实际工程条件，并且实际应用操作性强。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种筒型基础持力层最大深度确定方法，包括以下步骤：

根据包含软土持力层的条形基础承载力计算模型和包含下卧层的条形基础竖向承载力持力层最大深度分析模型，得到持力层最大深度承载力参考影响率；

根据包含软土持力层的三维筒型基础承载力计算模型和包含下卧层的筒型基础竖向承载力持力层最大深度分析模型，得到筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率；

根据持力层最大深度承载力参考影响率和筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率，得到筒型基础在竖向荷载作用下持力层最大深度。

作为优选，得到持力层最大深度承载力参考影响率包括：

根据包含软土持力层的条形基础承载力计算模型，得到条形基础在持力层中的极限承载力q_us1；

根据包含下卧层的条形基础竖向承载力持力层最大深度分析模型，得到条形基础下卧层距离基础底面的距离Δh＝0.6B时的极限承载力q_us2；其中，B为条形基础模型宽度；

根据q_us1和q_us2，得到持力层最大深度承载力参考影响率。

作为优选，得到筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率：

根据包含软土持力层的三维筒型基础承载力计算模型，得到筒型基础在持力层中的极限承载力q_ub1；

根据包含下卧层的筒型基础竖向承载力持力层最大深度分析模型，得到筒型基础下卧层距离基础底面不同Δh时的极限承载力q_ub2；

根据q_ub1和q_ub2，得到筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率。

作为优选，得到持力层最大深度承载力参考影响率η₁为：

作为优选，得到筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率η₂为：

作为优选，得到筒型基础在竖向荷载作用下持力层最大深度为：将η₂与Δh/D建立函数关系，令η₂＝η₁求得筒型基础最大持力层深度h_max＝Δh_(η2＝η1)，其中，Δh_(η2＝η1)为当η₂＝η₁时筒型基础下卧层距离基础底面的距离。

本发明还提供一种筒型基础持力层最大深度确定装置，包括：

第一计算模块，用于根据包含软土持力层的条形基础承载力计算模型和包含下卧层的条形基础竖向承载力持力层最大深度分析模型，得到持力层最大深度承载力参考影响率；

第二计算模块，用于根据包含软土持力层的三维筒型基础承载力计算模型和包含下卧层的筒型基础竖向承载力持力层最大深度分析模型，得到筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率；

第三计算模块，用于根据持力层最大深度承载力参考影响率和筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率，得到筒型基础在竖向荷载作用下持力层最大深度。

本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现筒型基础持力层最大深度确定方法。

本发明技术方案利用有限元计算方法，通过在筒型基础底部设置相对于持力层强度和刚度都较大的砂土下卧层，并设置不同下卧层与持力层的相对位置，计算筒型基础承载力随不同下卧层层深度的变化规律。通过计算条形基础在下卧层距基础地面为最大持力层厚度下的承载力影响率，作为筒型基础的持力层最大深度承载力参考影响率，依据承载力参考影响率确定对应的筒型基础的下卧层深度，进而准确评估实际工程中筒型基础最大持力层深度。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、依据理论方法较为成熟的条形基础持力层影响深度解，计算得到条形基础承载力参考影响率η₁，通过计算筒型基础不同持力层深度下的承载力影响率η₂，并结合边界条件η₂＝η₁，可得筒型基础的持力层最大深度h_max。该方法操作性强，可重复性高，因条形基础承载力参考影响率和筒基承载力影响率均为相对值，故该方法适用于不同类型的土体持力层类型，包括正常固结土、均质土、分层土等，通过建立包含软土持力层的条形基础、筒型基础承载力计算模型，包含软土持力层和砂土下卧层的条形基础筒型基础承载力计算模型，即可求解条形基础承载力参考影响率η₁和筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率η₂。

2、运用ABAQUS有限元软件，采用静力分析步，计算效率高，耗时短，土体本构模型成熟，得到的承载力数值可靠。

3、综上所述，本发明符合工程实际，方法简单明确，易于计算。

附图说明

图1为筒型基础持力层最大深度确定方法的流程图；

图2条形基础计算模型及网格划分示意图；

图3条形基础计算模型中持力层与下卧层示意图；

图4筒型基础计算模型及网格划分示意图；

图5筒型基础计算模型中持力层与下卧层示意图；

图6均质黏土承载力影响率与无量纲下卧层深度关系示意图；

图7正常固结黏土承载力影响率与无量纲下卧层深度关系示意图；

图8离心机试验布置图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明提供一种筒型基础持力层最大深度确定方法，包括以下步骤：

作为本发明实施里的一种实施方式，得到持力层最大深度承载力参考影响率包括：

根据q_us1和q_us2，得到持力层最大深度承载力参考影响率。

作为本发明实施里的一种实施方式，得到筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率包括：

作为本发明实施里的一种实施方式，得到条形基础在持力层中的极限承载力q_us1具体包括：

S111、建立包含软土持力层的条形基础承载力计算模型，包含第一土体模型和第一条形基础模型，第一条形基础模型宽度为B，厚度为t，第一土体模型宽度和深度分别为10B和5B。

S112、建立材料属性，第一条形基础模型设置为刚体，第一土体模型设置为弹塑性体，选用服从Tresca屈服准则的理想弹塑性本构模型。持力层为均质软土，土体不排水抗剪强度设置为S_u(kPa)，土体弹性模量E_s1＝500S_u，泊松比v_s1，并根据实际工况设置土体有效重度γ_s1’。

S113、建立截面属性，并将其分别赋予第一条形基础模型和第一土体模型。

S114、将第一条形基础模型与第一土体模型装配至一起。

S115、设置数值模型分析步，包含地应力分析步和荷载分析步。

S116、设置边界条件：第一条形基础模型与第一土体模型的相互作用中法向接触和切向摩擦接触；对第一土体模型设置位移边界，其为约束侧边的侧向位移及底部的竖向和侧向位移。

S117、建立荷载条件，在地应力分析步中对第一土体模型施加重力；在荷载分析步中对第一条形基础模型施加竖向位移荷载。

S118、对第一土体模型和第一条形基础模型进行网格划分并提交作业分析。

S119、根据条形基础竖向承载力与竖向位移关系确定条形基础在持力层中的极限承载力q_us1。

作为本发明实施例的一种实施方式，得到条形基础下卧层距离基础底面的距离Δh＝0.6B时的极限承载力q_us2，具体为：

S121、建立包含下卧层的条形基础竖向承载力持力层最大深度分析模型，包含第二土体模型和第二条形基础模型，第二条形基础模型和第二土体模型与S111中的第一条形基础模型和第一土体模型一致

S122、建立材料属性，第二条形基础模型和持力层参数与S112中设置一致，砂土下卧层内摩擦角为29°，土体有效重度为γ_s2’，泊松比为v_s2弹性模量选取为持力层弹性模量10倍，下卧层土体采用摩尔库伦理想弹塑性模型。

S123、建立截面属性，并将其分别赋予第二条形基础模型和第二土体模型。

S124、在距条形基础底面以下深度Δh＝0.6B处设置砂土层下卧层，形成上黏下砂的成层地基。

S125、按照S115-S118设置条形基础竖向承载力持力层最大深度分析模型的分析步、边界条件、荷载条件、网格，并提交作业进行分析。

S126、根据条形基础竖向承载力与竖向位移关系确定条形基础下卧层距离基础底面Δh＝0.6B时的极限承载力q_us2。

作为本发明实施的一种实施方式，根据式(1)计算得到持力层最大深度承载力参考影响率η₁：

作为本发明实施的一种实施方式，得到筒型基础在持力层中的极限承载力q_ub1，具体为

S131、建立包含软土持力层的三维筒型基础承载力计算模型，由于筒型基础及其承受荷载的对称性，为减小数值计算量，在数值分析中采用二分之一对称模型。包含第三土体模型和筒型基础模型，其中筒型基础模型直径为D，筒顶盖厚度为t_t，筒壁厚为t_s，第三土体模型直径为D_soil＝5D，土体深度为H_soil＝5L。

S132、建立材料属性，筒型基础模型采用线弹性模型，第三土体模型设置参照S112设置。

S133、建立截面属性，并将其分别赋予筒型基础模型和第三土体模型。

S134、将筒型基础模型与第三土体模型装配至一起。

S135、参照S115-S117设置分析步、边界条件、荷载条件。

S136、对第三土体模型和筒型基础模型进行网格划分，筒型基础模型采用全局均匀划分，第三土体模型尺寸径向和深度方向均采用单精度布种，随后提交作业计算。

S137、根据筒型基础竖向承载力与竖向位移关系确定筒型基础在持力层中的极限承载力q_ub1。

作为本发明实施的一种实施方式，得到筒型基础下卧层距离基础底面不同Δh时的极限承载力q_ub2，具体包括：

S141、建立包含下卧层的筒型基础竖向承载力持力层最大深度分析模型，第二筒型基础模型和第四土体模型，第二筒型基础模型和第四土体模型与S131中一致。

S142、建立材料属性，第二筒型基础和持力层参数与S132中设置一致，砂土下卧层参数与S122一致。

S143、建立截面属性，并将其分别赋予第二筒型基础模型和第四土体模型。

S144、将第二筒型基础模型与第四土体模型装配至一起，砂土下卧层分别在距筒型基础底面以下深度不同Δh，形成上黏下砂的成层地基。

S145、按照S115-S118设置筒型基础竖向承载力持力层最大深度分析模型的分析步、边界条件、荷载条件、网格，并提交作业进行分析。

S146、根据筒型基础竖向承载力与竖向位移关系确定筒型基础下卧层距离基础底面不同Δh时的极限承载力q_ub2。

作为本发明实施例的一种实施方式，按照式(2)计算筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率η₂。

作为本发明实施例的一种实施方式，根据持力层最大深度承载力参考影响率和筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率，得到筒型基础在竖向荷载作用下持力层最大深度，具体为：将η₂与Δh/D建立函数关系，令η₂＝η₁求得筒型基础最大持力层深度h_max＝Δh_(η2＝η1)，其中，Δh_(η2＝η1)为当η₂＝η₁时筒型基础下卧层距离基础底面的距离。

实施例2:

条形基础和筒型基础基本参数如表1和表2所示。

表1

表2

持力层土体参数和下卧层土体参数如表3所示

表3

本发明实施例提供一种筒型基础持力层最大深度确定方法，包括以下步骤：

S1、根据条形基础持力层影响深度为0.6倍条形基础宽度，确定条形基础最大持力层深度为0.6B＝18m。

S2、建立包含软土持力层的条形基础承载力计算模型，包含第一土体模型和第一条形基础模型，第一条形基础模型宽度为B＝20m，厚度为t＝1m，第一土体模型宽度和深度分别为200m和100m。

S3、建立材料属性，第一条形基础模型设置为刚体，第一土体模型选用服从Tresca屈服准则的理想弹塑性本构模型。根据表3持力层为均质软土，土体不排水抗剪强度设置为S_u＝10kPa，土体弹性模量E_s1＝5MPa，泊松比v_s1＝0.48，有效重度γ_s1’＝9kN·m^-3。

S4、建立截面属性，并将其分别赋予第一条形基础模型和第一土体模型。

S5、将第一条形基础模型与第一土体模型装配至一起，第一条形基础模型的底面位于第一土体模型的表面。

S6、设置数值模型分析步，包含：地应力分析步和荷载分析步。

S7、设置边界条件：第一条形基础模型与第一土体模型的相互作用中，法向接触采用硬接触不可分离，切向接触为粗糙；对第一土体模型设置位移边界，其为约束侧边的侧向位移及底部的竖向和侧向位移。

S8、建立荷载条件，在地应力分析步中对第一条形基础模型施加重力9.8N/kg；在荷载分析步中对第一条形基础模型施加竖向位移荷载，竖向位移3m。

S9、对第一条形基础模型和第一土体模型进行网格；其中，第一土体模型宽度和深度方向均采用单精度网格划分，尺寸均为0.04B-0.12B；第一条形基础模型全局均匀网格划分，网格尺寸为0.5m，如图2所示，并提交作业分析。

S10、通过计算得到的条形基础竖向极限承载力q_us1＝450.2(kN/m)。

S11、建立包含下卧层的条形基础竖向承载力持力层最大深度分析模型，包含第二土体模型和第二条形基础模型，第二条形基础模型和第二土体模型与S2中的第一条形基础模型和第一土体模型一致。

S12、建立材料属性，第二条形基础模型和持力层参数与S3中设置一致，下卧层土体采用摩尔库伦理想弹塑性模型，砂土下卧层内摩擦角为29°，土体弹性模量E_s2＝11MPa，泊松比v_s2＝0.3，有效重度γ_s2’＝9.7kN·m^-3。

S13、建立截面属性，并将其分别赋予第二条形基础模型和第二土体模型。

S14、在距条形基础底面以下深度Δh＝0.6B＝12m处设置砂土层下卧层，形成上黏下砂的成层地基，如图3所示。

S15、按照S6-S9方式设置条形基础竖向承载力持力层最大深度分析模型的分析步、边界条件、荷载条件、网格划分，并提交作业进行分析。

S16、通过计算条形基础竖向极限承载力q_us2＝459.2(kN/m)。

S17、根据式(1)计算得到筒型基础持力层最大深度承载力参考影响率η₁＝2％。

S18、建立包含软土持力层的三维筒型基础承载力计算模型，采用二分之一对称模型；包含第三土体模型和筒型基础模型，筒型基础模型直径为D＝30m，筒顶盖厚度为t_t＝1m，筒壁厚为t_s＝0.03m，第三土体模型直径为D_soil＝150m，土体深度为H_soil＝75m。

S19、建立材料属性，筒型基础模型采用线弹性模型，第三土体模型设置参照S3设置。

S20、建立截面属性，并将其分别赋予筒型基础模型和第三土体模型。

S21、将筒型基础模型与第三土体模型装配至一起，筒顶盖内侧位于第三土体模型表面，基础埋深15m。

S22、参照S6-S8设置分析步、边界条件、荷载条件。

S23、对筒型基础模型和第三土体模型进行网格划分，筒型基础模型采用全局均匀划分，网格尺寸为0.5m，筒型基础模型入土深度L范围内深度方向网格尺寸为1.2m，第三土体模型尺寸径向、深度方向均采用单精度布种，距离筒型基础方向为加密，径向和深度方向单精度网格尺寸为1.2m-7.2m，网格划分情况如图4所示，划分完网格并提交计算。

S24、根据筒型基础竖向承载力与竖向位移关系确定筒型基础在持力层中的极限承载力q_ub1＝75.2MN。

S25、建立包含下卧层的筒型基础竖向承载力持力层最大深度分析模型，包括：第二筒型基础模型和第四土体模型，第二筒型基础模型和第四土体模型与S18中一致。

S26、建立材料属性，第二筒型基础模型和持力层参数与S19中设置一致，砂土下卧层参数与S12一致。

S27、建立截面属性，并将其分别赋予第二筒型基础模型和第四土体模型。

S28、参照S21将第二筒型基础模型与第四土体模型装配至一起，砂土下卧层分别在距筒型基础底面以下深度不同Δh，Δh分别选取为：9m、12m、15m、18m、21m、24m、27m、30m形成上黏下砂的成层地基，如图5所示。

S29、按照S6-S8设置筒型基础竖向承载力持力层最大深度分析模型的分析步、边界条件、荷载条件。

S29、网格参照S23进行划分，并提交作业进行分析。

S30、根据筒型基础竖向承载力与竖向位移关系确定筒型基础下卧层距离基础底面不同Δh时的极限承载力q_ub2(Δh)。

S31、依据计算结果，按照式(2)计算筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率η₂。

S32、将η₂与Δh/D建立关系，可得图6，与相同工况条件下的离心机试验结果吻合良好，验证了该技术方案，η₂与Δh/D两者可采用如下函数进行表达：

η₂＝32.9e^-7.6(Δh/D) (3)

则在η₂＝η₁＝2％时求得均质黏土中的筒型基础最大持力层深度Δh/D＝0.5，则本实施例中持力层最大深度h_max＝0.5D＝15m。

实施例3：

为了说明本发明技术方案对于非均质土层的适用性，采用正常固结黏土作为持力层进行实例计算。

实施例3采用正常固结黏土进行计算，其中筒型基础模型、土体模型、模型参数、建模方法与实施步骤均与实施例1相同，区别为改变持力层土体参数，考虑为正常固结粘土，其不排水强度随深度线性增加，假定正常固结黏土的不排水抗剪强度随深度线性增加即s_u＝s_um+kz，k为土体强度随深度的增长系数，s_um为泥面处土体的不排水抗剪强度，z为深度。定义κ＝kD/s_um为土体强度沿深度方向的不均匀系数，计算时泥面处土体不排水抗剪强度s_um与筒径D是恒定的，通过改变k来改变土体不均匀系数κ。持力层土体参数表4所示。

表4

具体实施步骤：

参照实施例2中S1-S24，得到无砂土下卧层的筒型基础竖向极限承载力，结果如表5。

表5

参照实施例2中S25-S32计算了持力层为正常固结粘土，含有砂土下卧层下的筒型基础承载力，并得到了不同Δh/D条件下的承载力影响率如图7所示。

在η₂＝η₁＝2％时得到了不同κ条件下的筒型基础最大持力曾深度h_max，可采用式(3)表征。

h_max＝0.298+0.2×0.11^κ (3)

将计算结果与κ＝3工况条件下的离心机试验结果进行了对比，离心机试验加速度为200g，筒基尺寸如表6所示，布置形式如图8所示。

表6

在η₁＝2％时无量纲化的最大持力层深度h_max/D如表7所示，两者数值非常接近，验证了该技术方案在正常固结黏土条件下的适用性。

表7

实施例4：

实施例5：

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，在任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所述的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种筒型基础持力层最大深度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据持力层最大深度承载力参考影响率和筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率，得到筒型基础在竖向荷载作用下持力层最大深度；

得到持力层最大深度承载力参考影响率包括：

根据q_us1和q_us2，得到持力层最大深度承载力参考影响率；

得到筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率包括：

根据q_ub1和q_ub2，得到筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率；

得到持力层最大深度承载力参考影响率η₁为：

得到筒型基础不同持力层深度对承载力的影响率η₂为：

得到筒型基础在竖向荷载作用下持力层最大深度为：将η₂与Δh/D建立函数关系，令η₂＝η₁求得筒型基础最大持力层深度h_max＝Δh_(η2＝η1)，其中，Δh_(η2＝η1)为当η₂＝η₁时筒型基础下卧层距离基础底面的距离。

2.一种实现权利要求1所述的筒型基础持力层最大深度确定方法的筒型基础持力层最大深度确定装置，其特征在于，包括：

3.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现权利要求1所述的筒型基础持力层最大深度确定方法。