| 大直径单桩基础的冲刷与液化机理及承载力研究 |
| 英文题名 | Scour and Liquefaction around a Large-diameter Monopile and Their Effects on Bearing Capacity
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| 漆文刚
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| 导师 | 高福平
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| 2015
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| 学位授予单位 | 中国科学院研究生院
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 博士
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| 学位专业 | 工程力学
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| 摘要 | 与河道中的桥墩不同，适用于海上风机的大直径单桩基础需要考虑波流共同作用的影响。波流共同作用时，表层土体的运移与土体内部的孔压响应同时发生，极易形成冲刷与液化，使得桩基承载力减小，危及结构安全。目前对大直径单桩基础周围土体冲刷与液化的机理及其对桩基承载力的影响尚缺乏系统研究。本文基于相似理论分析，借助物理模型试验与数值模拟，系统研究了大直径单桩基础在波流共同作用下的冲刷及孔压响应规律，分析了冲刷对桩基承载的影响。 通过流固土耦合模型试验对波流共同作用下的海床瞬态孔压响应进行系统研究，试验结果表明同向水流使得波浪诱导的孔压响应幅值增大，逆向水流使得孔压响应幅值减小；同向水流和逆向水流对孔压梯度的影响均在波浪波长较小时更为显著。对当前普遍采用的砂质海床瞬态液化判别准则进行了分析，发现现有瞬态液化准则存在浅层土体溅出的物理谬误，进而提出了砂质海床瞬态液化的修正判别准则。修正准则能够描述瞬态液化后土体内的孔压重分布，并合理解释现场的瞬态液化观测结果。根据修正准则推导得到了最大瞬态液化深度的解析解，并对所得结果进行了参量分析；根据修正准则所得最大瞬态液化深度与根据已有准则所得结果存在显著的差异。 为了获得波流共同作用下桩基冲刷发展的规律，开展了相关的水槽模型试验。通过对不同波流工况下桩基冲刷发展的对比分析，发现波流共同作用下的极限平衡冲深比波浪水流分别单独作用时的极限平衡冲深之和大；加载完全一致的波浪和恒定水流，波流同向时的最大水流速度显著大于波流逆向时的水流速度，从而使得波流同向时的冲刷发展更快，极限平衡冲深也更大。波谷区下方土体中存在超静孔压梯度诱导的渗流力，使得床面更易发生冲刷。基于量纲分析和对冲刷动力过程的机理分析，研究了KC数和流速比Ucw等关键无量纲参数对极限平衡冲刷深度的影响。提出了基于1/4波浪周期平均流速的Froude数(Fra)，建立了桩基极限平衡冲刷深度与Fra之间的关联关系，基于Fra所得的极限平衡冲深预测结果误差约在±25%以内，可为相关的工程设计提供科学依据。 为揭示冲刷对桩基水平承载力的影响，在西澳大利亚大学的鼓式离心机中进行了相关的物理模型试验研究，分析了冲刷对桩土相互作用p-y曲线的影响。试验结果表明冲刷坑形状对于评价冲刷效应具有至关重要的作用，将冲刷深度以内的土体整层剥离来考虑冲刷对桩基水平承载的影响，所得结果会过于保守。基于试验结果提出了土体有效深度的概念，用于考虑冲刷对桩土相互作用p-y曲线的影响。这种p-y曲线的修正计算方法能够给出冲刷对桩基水平响应的合理估计。建立了桩基水平承载的有限元数值计算模型，基于数值模拟结果，提出了针对大直径单桩基础的p-y曲线计算公式。根据该公式能够很好的对离心机试验结果进行模拟，验证了该公式的有效性。结合根据离心机试验所得的考虑冲刷效应的p-y曲线修正方法，对典型的海上风机大直径单桩基础水平承载受冲刷的影响进行了计算分析，结果表明冲刷效应非常显著，整体冲刷比局部冲刷的影响更大。 |
| 索取号 | 31239
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55122
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| 专题 | 流固耦合系统力学重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
漆文刚. 大直径单桩基础的冲刷与液化机理及承载力研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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