循環(huán)荷載下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)承載特性的多維度解析與應(yīng)用探究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球能源需求的持續(xù)增長以及陸地資源的逐漸匱乏，海洋資源的開發(fā)利用已成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。海洋工程作為開發(fā)海洋資源的重要手段，近年來得到了迅猛發(fā)展。在眾多海洋工程結(jié)構(gòu)中，吸力式桶形基礎(chǔ)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，如安裝簡便、成本較低、可重復(fù)利用等，被廣泛應(yīng)用于海上油氣開采、海上風(fēng)電等領(lǐng)域，成為海洋工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的重要形式之一。在實(shí)際海洋環(huán)境中，吸力式桶形基礎(chǔ)會受到多種復(fù)雜荷載的作用，其中循環(huán)荷載是最為常見且對其承載特性影響顯著的荷載形式。波浪、海風(fēng)以及潮汐等自然因素會使桶形基礎(chǔ)承受周期性的水平力、豎向力和彎矩等循環(huán)荷載。這些循環(huán)荷載的長期作用，可能導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，如土體的強(qiáng)度降低、變形累積等，進(jìn)而影響吸力式桶形基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性。一旦基礎(chǔ)出現(xiàn)失穩(wěn)或破壞，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能對海洋生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此，深入研究循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性，對于保障海洋工程結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從工程設(shè)計(jì)角度來看，準(zhǔn)確掌握吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載下的承載特性，能夠?yàn)榛A(chǔ)的合理設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵依據(jù)。通過研究可以確定基礎(chǔ)在不同循環(huán)荷載工況下的承載能力極限，從而優(yōu)化基礎(chǔ)的尺寸、形狀和埋深等設(shè)計(jì)參數(shù)，提高基礎(chǔ)的承載效率，降低工程成本。同時(shí)，了解循環(huán)荷載對基礎(chǔ)周圍土體的影響規(guī)律，有助于采取有效的土體加固措施，增強(qiáng)基礎(chǔ)與土體之間的相互作用，提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。在工程施工方面，研究成果可以指導(dǎo)施工過程中的荷載控制和監(jiān)測，避免因施工荷載不當(dāng)導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)提前破壞或影響其長期性能。從學(xué)術(shù)研究層面分析，循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)承載特性的研究，涉及到土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、海洋動力學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的交叉融合。這不僅有助于豐富和完善海洋工程基礎(chǔ)理論體系，推動相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，還能為解決其他類似的復(fù)雜地基基礎(chǔ)問題提供新的思路和方法。盡管目前國內(nèi)外學(xué)者已針對吸力式桶形基礎(chǔ)開展了一定的研究，但在循環(huán)荷載作用下的承載特性方面，仍存在許多有待深入探討的問題，如循環(huán)荷載作用下土體的本構(gòu)模型、基礎(chǔ)與土體之間的動力相互作用機(jī)制等。因此，開展此項(xiàng)研究具有重要的理論價(jià)值和廣闊的研究空間。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀國外對吸力式桶形基礎(chǔ)的研究起步較早，在循環(huán)荷載作用下的承載特性研究方面取得了一系列成果。在試驗(yàn)研究方面，Byrne和Houlsby開展了砂土中吸力式沉箱基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的試驗(yàn)，研究了基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的響應(yīng)，包括基礎(chǔ)的位移、土體的變形等，發(fā)現(xiàn)循環(huán)荷載會導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍土體的強(qiáng)度降低，進(jìn)而影響基礎(chǔ)的承載能力，并且循環(huán)荷載的幅值和頻率對基礎(chǔ)的響應(yīng)有顯著影響。隨后，Jardine等學(xué)者通過一系列離心機(jī)模型試驗(yàn)，進(jìn)一步研究了不同土性條件下吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的承載特性，揭示了土體的初始狀態(tài)、密實(shí)度等因素對基礎(chǔ)承載性能的影響規(guī)律。例如，他們發(fā)現(xiàn)密實(shí)砂土中桶形基礎(chǔ)的承載能力在循環(huán)荷載作用下的衰減速率相對較慢，而松散砂土中的基礎(chǔ)則更容易受到循環(huán)荷載的影響，承載能力下降明顯。在數(shù)值模擬方面，一些學(xué)者運(yùn)用有限元軟件對循環(huán)荷載下吸力式桶形基礎(chǔ)進(jìn)行模擬分析。如Gourvenec等采用有限元方法研究了海上風(fēng)機(jī)吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)行為，考慮了土體的非線性本構(gòu)關(guān)系以及基礎(chǔ)與土體之間的接觸特性，通過數(shù)值模擬得到了基礎(chǔ)在不同循環(huán)荷載工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布，為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。此外，一些學(xué)者還利用離散元方法對桶形基礎(chǔ)周圍土體在循環(huán)荷載下的顆粒運(yùn)動進(jìn)行模擬，從細(xì)觀角度揭示了土體在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，為宏觀力學(xué)模型的建立提供了微觀支持。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來，隨著我國海洋工程的快速發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者對吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的承載特性也展開了大量研究。在試驗(yàn)研究方面，許多高校和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)。山東大學(xué)的謝印標(biāo)、羅浩天等通過試驗(yàn)與ABAQUS數(shù)值模擬互相比對方法，研究了埋深對桶形基礎(chǔ)循環(huán)荷載承載特性的影響與循環(huán)荷載振幅對桶形基礎(chǔ)承載特性的影響。研究結(jié)果表明，在循環(huán)荷載作用下，隨著埋深的增加，水平承載性能提升，而豎直承載性能下降；桶形基礎(chǔ)承受的循環(huán)荷載越大，越早發(fā)生破壞，承載能力越低。中國海洋大學(xué)的寇海磊等人通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，對不同荷載循環(huán)比作用下砂性土地基吸力桶基礎(chǔ)水平承載特性進(jìn)行了研究，指出當(dāng)循環(huán)荷載比達(dá)到一定值時(shí)，吸力桶基礎(chǔ)累積變形隨循環(huán)次數(shù)增加而顯著增大，并且旋轉(zhuǎn)中心位置也會發(fā)生變化。在理論分析方面，國內(nèi)學(xué)者也取得了一定的進(jìn)展。一些學(xué)者基于土力學(xué)基本理論，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，建立了適用于吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的承載力計(jì)算模型。例如，通過考慮土體的循環(huán)弱化效應(yīng)、基礎(chǔ)與土體之間的相互作用等因素，對傳統(tǒng)的承載力計(jì)算公式進(jìn)行修正和完善，使其更能準(zhǔn)確地預(yù)測基礎(chǔ)在循環(huán)荷載下的承載能力。同時(shí)，在數(shù)值模擬方面，國內(nèi)學(xué)者也廣泛應(yīng)用各種先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法和軟件，對循環(huán)荷載下吸力式桶形基礎(chǔ)進(jìn)行深入研究，并且在模擬過程中不斷考慮更多的實(shí)際因素，如海洋環(huán)境中的滲流作用、波浪與基礎(chǔ)的耦合作用等，以提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前在循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)承載特性研究方面已經(jīng)取得了較為豐碩的成果。通過試驗(yàn)研究，揭示了一些基礎(chǔ)在循環(huán)荷載下的基本響應(yīng)規(guī)律以及土體性質(zhì)、基礎(chǔ)埋深等因素對承載特性的影響；數(shù)值模擬和理論分析方法也為深入研究基礎(chǔ)的力學(xué)行為提供了有效的手段。然而，仍存在一些不足之處。在試驗(yàn)研究方面，現(xiàn)有試驗(yàn)大多集中在單一因素對基礎(chǔ)承載特性的影響研究，對于多種因素耦合作用下的試驗(yàn)研究相對較少。而且，室內(nèi)模型試驗(yàn)與實(shí)際海洋工程中的原型基礎(chǔ)存在一定的尺寸效應(yīng)，現(xiàn)場試驗(yàn)由于受到海洋環(huán)境等條件的限制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取難度較大，數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性有待提高。在數(shù)值模擬方面，雖然各種數(shù)值方法被廣泛應(yīng)用，但土體本構(gòu)模型的選擇仍然存在一定的局限性，難以準(zhǔn)確描述復(fù)雜海洋環(huán)境下砂土在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)行為，基礎(chǔ)與土體之間的接觸模型也需要進(jìn)一步優(yōu)化，以更真實(shí)地反映兩者之間的相互作用。在理論分析方面，目前的理論計(jì)算模型大多是基于一定的假設(shè)條件建立的，與實(shí)際工程情況存在一定的差異，對于循環(huán)荷載作用下基礎(chǔ)的長期性能預(yù)測以及復(fù)雜荷載工況下的承載力計(jì)算方法還需要進(jìn)一步完善。因此，針對這些不足開展深入研究，對于進(jìn)一步揭示循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性具有重要意義。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容1.3.1研究目標(biāo)本研究旨在深入探究循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性，明確基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，揭示影響其承載特性的關(guān)鍵因素，建立更為準(zhǔn)確合理的承載力計(jì)算模型，為海洋工程中吸力式桶形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工和安全評估提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。具體而言，通過研究，期望能夠精確預(yù)測基礎(chǔ)在不同循環(huán)荷載工況下的變形和承載能力，為實(shí)際工程中基礎(chǔ)的選型、尺寸設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定性分析提供可靠的技術(shù)支持，從而有效提高海洋工程結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。1.3.2研究內(nèi)容（1）開展砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的室內(nèi)模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并制作合理的模型，模擬實(shí)際海洋環(huán)境中的循環(huán)荷載條件，包括不同的荷載幅值、頻率、加載方向等。通過試驗(yàn)測量基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的位移、應(yīng)變、土體壓力等物理量，分析基礎(chǔ)的變形規(guī)律和承載特性，研究不同砂土性質(zhì)（如砂土的顆粒級配、密實(shí)度、內(nèi)摩擦角等）對基礎(chǔ)承載性能的影響，以及循環(huán)荷載參數(shù)與基礎(chǔ)響應(yīng)之間的關(guān)系。（2）基于數(shù)值模擬方法，利用大型通用有限元軟件建立砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的數(shù)值模型。考慮土體的非線性本構(gòu)關(guān)系、基礎(chǔ)與土體之間的接觸特性以及滲流等因素，對基礎(chǔ)的力學(xué)行為進(jìn)行全面模擬分析。通過數(shù)值模擬，深入研究基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，探討不同因素（如基礎(chǔ)埋深、桶壁厚度、土體參數(shù)等）對基礎(chǔ)承載特性的影響機(jī)制，驗(yàn)證室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，并對試驗(yàn)難以開展的工況進(jìn)行模擬研究，拓展研究的廣度和深度。（3）在試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行理論分析。結(jié)合土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等相關(guān)理論，建立適用于循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載力計(jì)算模型。考慮土體在循環(huán)荷載下的強(qiáng)度衰減、變形累積等特性，對傳統(tǒng)的承載力理論進(jìn)行修正和完善，使其能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的承載能力。同時(shí)，通過理論分析，推導(dǎo)基礎(chǔ)在不同荷載工況下的變形計(jì)算公式，為工程設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算方法。（4）綜合試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析的結(jié)果，研究循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的長期性能。分析基礎(chǔ)在長期循環(huán)荷載作用下的承載能力變化趨勢，評估基礎(chǔ)的耐久性和穩(wěn)定性，探討提高基礎(chǔ)長期承載性能的措施和方法，如土體加固、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，為海洋工程中吸力式桶形基礎(chǔ)的長期安全運(yùn)行提供保障。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等多種方法，對循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性展開深入研究。試驗(yàn)研究方面，設(shè)計(jì)并進(jìn)行砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的室內(nèi)模型試驗(yàn)。按照相似性原理，制作滿足試驗(yàn)要求的桶形基礎(chǔ)模型和砂土模型。利用加載設(shè)備，模擬實(shí)際海洋環(huán)境中的循環(huán)荷載，包括不同幅值、頻率和加載方向的水平荷載、豎向荷載以及彎矩等。通過在基礎(chǔ)和土體中布置位移傳感器、應(yīng)變片、土壓力盒等測量元件，實(shí)時(shí)采集基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的位移、應(yīng)變、土體壓力等數(shù)據(jù)。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，揭示基礎(chǔ)的變形規(guī)律和承載特性，探究砂土性質(zhì)、循環(huán)荷載參數(shù)等因素對基礎(chǔ)承載性能的影響。例如，通過改變砂土的顆粒級配和密實(shí)度，研究不同土性條件下基礎(chǔ)的承載特性變化；通過調(diào)整循環(huán)荷載的幅值和頻率，分析基礎(chǔ)在不同荷載工況下的響應(yīng)規(guī)律。數(shù)值模擬方面，借助大型通用有限元軟件（如ABAQUS、ANSYS等）建立砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的數(shù)值模型。在模型中，合理考慮土體的非線性本構(gòu)關(guān)系，如采用Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型等，以準(zhǔn)確描述砂土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為；模擬基礎(chǔ)與土體之間的接觸特性，考慮接觸面上的摩擦、粘結(jié)等作用；同時(shí)，考慮滲流等因素對基礎(chǔ)力學(xué)行為的影響。通過數(shù)值模擬，分析基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，研究基礎(chǔ)埋深、桶壁厚度、土體參數(shù)等因素對基礎(chǔ)承載特性的影響機(jī)制。與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，確保數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，并進(jìn)一步拓展研究工況，深入分析試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜情況。理論分析方面，結(jié)合土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等相關(guān)理論，對試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行深入剖析。基于塑性力學(xué)原理，考慮土體在循環(huán)荷載下的強(qiáng)度衰減和變形累積特性，建立適用于循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載力計(jì)算模型。通過理論推導(dǎo)，得出基礎(chǔ)在不同荷載工況下的變形計(jì)算公式，為工程設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算方法。同時(shí)，對理論模型進(jìn)行驗(yàn)證和完善，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，確保理論模型的合理性和準(zhǔn)確性。本研究的技術(shù)路線如下：首先，通過廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，全面了解吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下承載特性的研究現(xiàn)狀，明確研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，確定研究目標(biāo)和內(nèi)容。其次，開展砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的室內(nèi)模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，準(zhǔn)備試驗(yàn)材料和設(shè)備，進(jìn)行試驗(yàn)操作并采集數(shù)據(jù)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理和分析。然后，利用有限元軟件建立數(shù)值模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，優(yōu)化數(shù)值模型。接著，在試驗(yàn)和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行理論分析，建立承載力計(jì)算模型和變形計(jì)算公式。最后，綜合試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析的結(jié)果，總結(jié)循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性，提出提高基礎(chǔ)承載性能的措施和建議，撰寫研究報(bào)告和學(xué)術(shù)論文，為海洋工程中吸力式桶形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)參考。二、吸力式桶形基礎(chǔ)與循環(huán)荷載概述2.1吸力式桶形基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1.1結(jié)構(gòu)組成吸力式桶形基礎(chǔ)主要由桶身、裙板以及頂蓋等部分組成。桶身通常為圓筒形結(jié)構(gòu)，是基礎(chǔ)的主體部分，其作用是承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，并將荷載傳遞到周圍土體中。桶身一般采用鋼材制作，具有較高的強(qiáng)度和耐久性，能夠適應(yīng)海洋環(huán)境中的復(fù)雜工況。例如，在一些海上風(fēng)電項(xiàng)目中，桶身的直徑可達(dá)數(shù)米，高度也能達(dá)到十幾米甚至更高，以滿足風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的承載要求。裙板位于桶身的底部邊緣，其向外延伸，增加了基礎(chǔ)與土體的接觸面積，從而提高了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。裙板的存在還能有效阻止基礎(chǔ)周圍土體的側(cè)向變形，增強(qiáng)基礎(chǔ)與土體之間的相互作用。裙板的厚度和寬度通常根據(jù)工程實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般來說，裙板的厚度相對桶身較薄，但寬度較大，以充分發(fā)揮其增強(qiáng)穩(wěn)定性的作用。頂蓋則封閉桶身的頂部，在基礎(chǔ)下沉過程中，通過在頂蓋上施加負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的下沉就位。頂蓋上通常設(shè)置有各種連接部件和管道接口，用于連接上部結(jié)構(gòu)以及安裝抽氣設(shè)備、監(jiān)測儀器等。此外，為了保證頂蓋的強(qiáng)度和密封性，通常會對其進(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工處理，如采用加強(qiáng)筋等方式提高其承載能力，采用密封材料確保其密封性，防止海水等介質(zhì)進(jìn)入桶內(nèi)影響基礎(chǔ)的性能。2.1.2工作原理吸力式桶形基礎(chǔ)的工作原理主要基于負(fù)壓下沉和承載兩個(gè)過程。在下沉階段，首先將桶形基礎(chǔ)放置在預(yù)定的海底位置，此時(shí)基礎(chǔ)依靠自身重量下沉一定深度。然后，通過安裝在頂蓋上的抽氣設(shè)備抽出桶內(nèi)空氣，使桶內(nèi)形成負(fù)壓環(huán)境。隨著桶內(nèi)壓力的降低，桶內(nèi)外形成壓力差，在這個(gè)壓力差的作用下，基礎(chǔ)受到向下的作用力，克服周圍土體的阻力繼續(xù)下沉。例如，在某海上工程實(shí)際施工中，當(dāng)桶內(nèi)壓力降低到一定程度時(shí)，基礎(chǔ)在較短時(shí)間內(nèi)快速下沉至設(shè)計(jì)深度，完成了下沉就位過程。在這個(gè)過程中，桶身周圍的土體受到擠壓和擾動，土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，逐漸與桶身形成緊密的接觸，為基礎(chǔ)的承載提供了一定的摩擦力和側(cè)向約束。當(dāng)基礎(chǔ)下沉到設(shè)計(jì)深度后，進(jìn)入承載階段。此時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的荷載通過基礎(chǔ)傳遞到周圍土體中。桶身與周圍土體之間的摩擦力以及土體對桶身的側(cè)向抗力共同承擔(dān)上部荷載。由于桶身與土體緊密接觸，在荷載作用下，土體產(chǎn)生一定的變形，而桶身則限制了土體的變形，使得土體與桶身之間形成相互作用的力系，從而保證基礎(chǔ)能夠穩(wěn)定地承載上部結(jié)構(gòu)。在長期的承載過程中，基礎(chǔ)周圍的土體可能會因?yàn)槭艿窖h(huán)荷載等因素的影響而發(fā)生力學(xué)性質(zhì)的變化，如土體的強(qiáng)度降低、變形增加等，這些變化會反過來影響基礎(chǔ)的承載性能，因此需要對基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的承載特性進(jìn)行深入研究。2.2循環(huán)荷載的類型與特征2.2.1海洋環(huán)境中的循環(huán)荷載來源在海洋環(huán)境中，吸力式桶形基礎(chǔ)所承受的循環(huán)荷載主要來源于波浪、海風(fēng)、潮汐以及海流等自然因素。波浪是海洋中最為常見且對基礎(chǔ)影響顯著的循環(huán)荷載源之一。波浪的形成是由于風(fēng)對海面的持續(xù)作用，使得海水產(chǎn)生周期性的起伏運(yùn)動。波浪荷載的大小和特性受到多種因素的影響，如風(fēng)速、風(fēng)持續(xù)時(shí)間、海域的地形地貌以及水深等。當(dāng)波浪傳播到吸力式桶形基礎(chǔ)所在位置時(shí)，會對基礎(chǔ)產(chǎn)生周期性的作用力，包括水平力、豎向力和彎矩等。在風(fēng)暴天氣下，風(fēng)速急劇增大，形成的波浪高度和波周期都會顯著增加，從而使基礎(chǔ)承受的波浪荷載大幅提高。波浪力在不同水深位置對基礎(chǔ)的作用效果也有所不同，在水線附近，波浪的沖擊力較大，隨著水深的增加，波浪力的作用逐漸減弱，但由于其周期性特點(diǎn)，長期作用下仍會對基礎(chǔ)產(chǎn)生不容忽視的影響。海風(fēng)也是產(chǎn)生循環(huán)荷載的重要來源。風(fēng)對海洋平臺及基礎(chǔ)的作用包括直接作用和間接作用。直接作用是指風(fēng)壓力直接施加在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)表面，產(chǎn)生水平方向和垂直方向的荷載；間接作用則是通過引起波浪和海流，間接對基礎(chǔ)產(chǎn)生影響。海風(fēng)的強(qiáng)度和方向具有隨機(jī)性和間歇性，其大小受到大氣環(huán)流、季節(jié)變化、地理位置等多種因素的影響。在某些特定的氣象條件下，如熱帶氣旋、季風(fēng)等，海風(fēng)的強(qiáng)度會大幅增強(qiáng)，導(dǎo)致基礎(chǔ)所承受的風(fēng)荷載急劇增大，且風(fēng)向的頻繁變化會使基礎(chǔ)承受的荷載方向不斷改變，增加了基礎(chǔ)受力的復(fù)雜性。潮汐現(xiàn)象是由地球、月球和太陽之間的引力相互作用引起的，導(dǎo)致海水發(fā)生周期性的漲落。在潮汐的漲落過程中，海水的水位不斷變化，這會使吸力式桶形基礎(chǔ)所受到的浮力和水壓力發(fā)生周期性的改變，從而形成循環(huán)荷載。此外，潮汐還會引發(fā)海流的運(yùn)動，海流對基礎(chǔ)的作用力同樣具有周期性，進(jìn)一步加劇了基礎(chǔ)所承受循環(huán)荷載的復(fù)雜性。在一些河口地區(qū)或狹窄海峽，潮汐的影響更為顯著，海水的流速和流向變化更為劇烈，對基礎(chǔ)的循環(huán)荷載作用也更為明顯。海流是指海洋中海水的大規(guī)模定向流動，其形成原因包括風(fēng)力、海水密度差異、地形地貌等。海流對吸力式桶形基礎(chǔ)的作用表現(xiàn)為拖曳力和沖擊力，這些力隨著海流的流速和流向的變化而呈現(xiàn)周期性的改變，構(gòu)成了循環(huán)荷載的一部分。在一些強(qiáng)流海域，如墨西哥灣流等，海流速度較大，對基礎(chǔ)產(chǎn)生的循環(huán)荷載不可忽視，長期作用下可能會對基礎(chǔ)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。而且海流與波浪、潮汐等因素相互作用，使得基礎(chǔ)所承受的循環(huán)荷載更加復(fù)雜多變。2.2.2循環(huán)荷載的幅值、頻率等特征參數(shù)循環(huán)荷載的幅值、頻率等特征參數(shù)對砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性具有重要影響。荷載幅值是指循環(huán)荷載在一個(gè)周期內(nèi)的最大值與最小值之差，它直接反映了荷載作用的強(qiáng)弱程度。較大的荷載幅值意味著基礎(chǔ)受到更強(qiáng)的作用力，會導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍土體產(chǎn)生更大的應(yīng)力和變形。當(dāng)荷載幅值超過土體的強(qiáng)度極限時(shí)，土體可能會發(fā)生塑性變形甚至破壞，從而降低基礎(chǔ)的承載能力。在實(shí)際海洋環(huán)境中，如遭遇風(fēng)暴等惡劣天氣，波浪荷載的幅值會顯著增大，這對吸力式桶形基礎(chǔ)的穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。研究表明，隨著荷載幅值的增加，基礎(chǔ)的水平位移和豎向沉降都會明顯增大，且土體的疲勞損傷也會加劇，使得基礎(chǔ)在長期循環(huán)荷載作用下更容易發(fā)生破壞。荷載頻率是指單位時(shí)間內(nèi)循環(huán)荷載完成的周期數(shù)，它影響著基礎(chǔ)與土體之間的相互作用過程以及土體的力學(xué)響應(yīng)特性。不同的荷載頻率會導(dǎo)致土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律不同。一般來說，低頻循環(huán)荷載作用下，土體有足夠的時(shí)間產(chǎn)生變形和調(diào)整，其力學(xué)響應(yīng)相對較為穩(wěn)定；而高頻循環(huán)荷載作用時(shí)，土體來不及充分變形，會導(dǎo)致土體內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，進(jìn)而影響基礎(chǔ)的承載性能。高頻循環(huán)荷載還可能引發(fā)土體的共振效應(yīng)，當(dāng)荷載頻率接近土體的固有頻率時(shí)，土體的變形會急劇增大，嚴(yán)重影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。例如，在一些地震活動頻繁的海域，地震波引起的高頻循環(huán)荷載可能會對吸力式桶形基礎(chǔ)造成極大的破壞。除了幅值和頻率外，循環(huán)荷載的加載波形、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)也對基礎(chǔ)的承載特性有重要影響。加載波形決定了荷載隨時(shí)間的變化規(guī)律，常見的加載波形有正弦波、方波、三角波等，不同的波形會導(dǎo)致基礎(chǔ)和土體的受力狀態(tài)不同。循環(huán)次數(shù)則反映了荷載作用的持續(xù)時(shí)間，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土體的疲勞損傷逐漸累積，基礎(chǔ)的承載能力會逐漸降低，最終可能導(dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)生疲勞破壞。三、砂土特性對基礎(chǔ)承載的影響3.1砂土的物理力學(xué)性質(zhì)3.1.1顆粒級配砂土的顆粒級配是指不同粒徑顆粒在砂土中的分布情況，它對砂土的密實(shí)度和強(qiáng)度有著重要影響。顆粒級配良好的砂土，其大小顆粒相互填充，使得土體的孔隙率降低，密實(shí)度提高。當(dāng)砂土中存在多種粒徑的顆粒時(shí)，較小的顆粒能夠填充在較大顆粒之間的空隙中，形成更加緊密的堆積結(jié)構(gòu)。這種緊密的結(jié)構(gòu)增加了顆粒之間的接觸面積和摩擦力，從而提高了砂土的抗剪強(qiáng)度。例如，在一些工程中，通過合理調(diào)配砂土的顆粒級配，使得砂土的密實(shí)度得到顯著提高，進(jìn)而增強(qiáng)了基礎(chǔ)的承載能力。研究表明，顆粒級配良好的砂土，其內(nèi)摩擦角相對較大，在承受外力時(shí)，能夠更好地抵抗剪切變形，為吸力式桶形基礎(chǔ)提供更穩(wěn)定的支撐。相反，顆粒級配不良的砂土，由于顆粒大小較為均勻，缺乏大小顆粒的相互填充，導(dǎo)致土體孔隙率較大，密實(shí)度較低。這種情況下，砂土的抗剪強(qiáng)度較弱，在循環(huán)荷載作用下，更容易發(fā)生顆粒的相對移動和重新排列，導(dǎo)致土體的變形增大，進(jìn)而影響基礎(chǔ)的承載性能。如在一些松散的均勻砂土地基中，吸力式桶形基礎(chǔ)在較小的循環(huán)荷載作用下就可能出現(xiàn)較大的位移和沉降，這是因?yàn)橥馏w的顆粒級配不良，無法有效地抵抗荷載的作用。此外，顆粒級配還會影響砂土的滲透性，級配良好的砂土滲透性相對較低，而級配不良的砂土滲透性較高，這在海洋環(huán)境中，會對基礎(chǔ)周圍的滲流場產(chǎn)生影響，進(jìn)而間接影響基礎(chǔ)的承載特性。3.1.2密實(shí)度砂土的密實(shí)度是反映砂土物理狀態(tài)的重要指標(biāo)，它與基礎(chǔ)承載特性密切相關(guān)。密實(shí)度較高的砂土，顆粒之間排列緊密，相互嵌鎖作用強(qiáng)，土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性較高。在承受循環(huán)荷載時(shí)，密實(shí)砂土能夠更好地抵抗顆粒的移動和重新排列，從而減小土體的變形。這使得吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下，能夠保持較為穩(wěn)定的工作狀態(tài)，承載能力相對較高。例如，在實(shí)際海洋工程中，當(dāng)基礎(chǔ)位于密實(shí)砂土地基上時(shí)，基礎(chǔ)在長期的循環(huán)荷載作用下，位移和沉降的增長速率相對較慢，能夠較好地滿足工程的穩(wěn)定性要求。而密實(shí)度較低的砂土，顆粒之間較為松散，接觸點(diǎn)少，相互作用較弱。在循環(huán)荷載作用下，顆粒容易發(fā)生相對移動和重新排列，導(dǎo)致土體的變形迅速增大，強(qiáng)度降低。這會使得吸力式桶形基礎(chǔ)的承載能力顯著下降，基礎(chǔ)可能出現(xiàn)較大的位移和沉降，甚至發(fā)生失穩(wěn)破壞。研究表明，松散砂土在循環(huán)荷載作用下，土體的孔隙比會逐漸增大，土體逐漸變得更加松散，從而進(jìn)一步降低了基礎(chǔ)的承載性能。因此，在工程設(shè)計(jì)和施工中，需要充分考慮砂土的密實(shí)度對基礎(chǔ)承載特性的影響，對于密實(shí)度較低的砂土地基，可以采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，如?qiáng)夯、振沖等，提高砂土的密實(shí)度，增強(qiáng)基礎(chǔ)的承載能力。3.1.3抗剪強(qiáng)度參數(shù)砂土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)主要包括內(nèi)摩擦角和黏聚力，它們對基礎(chǔ)的承載能力有著關(guān)鍵影響。內(nèi)摩擦角是反映砂土顆粒之間摩擦特性和咬合作用的重要參數(shù)。內(nèi)摩擦角越大，說明砂土顆粒之間的摩擦力和咬合作用越強(qiáng)，土體抵抗剪切變形的能力就越強(qiáng)。在循環(huán)荷載作用下，較大的內(nèi)摩擦角能夠使砂土更好地承受水平和豎向荷載，減少基礎(chǔ)周圍土體的剪切破壞，從而提高吸力式桶形基礎(chǔ)的承載能力。例如，在一些粗顆粒砂土中，由于顆粒較大且形狀不規(guī)則，顆粒之間的摩擦力和咬合作用明顯，內(nèi)摩擦角較大，基礎(chǔ)在這類砂土中的承載性能相對較好。黏聚力是指土體顆粒之間的膠結(jié)力和分子引力，對于砂土而言，其黏聚力相對較小，但在某些情況下仍不可忽視。一定的黏聚力能夠增加土體顆粒之間的連接強(qiáng)度，提高土體的整體性和穩(wěn)定性。在循環(huán)荷載作用下，黏聚力有助于抵抗土體顆粒的分離和相對移動，延緩?fù)馏w的破壞過程，對基礎(chǔ)的承載能力起到一定的增強(qiáng)作用。然而，當(dāng)循環(huán)荷載作用較為強(qiáng)烈時(shí)，砂土的黏聚力可能會逐漸喪失，導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度降低，基礎(chǔ)的承載性能下降。因此，在研究循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性時(shí)，需要綜合考慮內(nèi)摩擦角和黏聚力等抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化，以及它們對基礎(chǔ)承載性能的影響。3.2砂土特性與基礎(chǔ)承載特性的關(guān)系3.2.1不同砂土特性下基礎(chǔ)的承載表現(xiàn)不同特性的砂土?xí)刮κ酵靶位A(chǔ)呈現(xiàn)出各異的承載表現(xiàn)。在顆粒級配方面，級配良好的砂土能為基礎(chǔ)提供更穩(wěn)定的承載性能。例如，在某室內(nèi)模型試驗(yàn)中，采用顆粒級配良好的砂土作為地基，吸力式桶形基礎(chǔ)在承受循環(huán)荷載時(shí)，基礎(chǔ)的沉降和位移相對較小，承載能力較高。這是因?yàn)榱己玫念w粒級配使得砂土顆粒之間相互填充，形成緊密的結(jié)構(gòu)，提高了砂土的密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度。相比之下，顆粒級配不良的砂土，基礎(chǔ)的承載表現(xiàn)則較差。如在另一試驗(yàn)中，使用顆粒大小較為均勻的砂土，由于缺乏大小顆粒的相互填充，砂土的孔隙率較大，密實(shí)度低。在相同的循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)的沉降和位移明顯增大，承載能力迅速下降，基礎(chǔ)更容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。砂土的密實(shí)度對基礎(chǔ)承載表現(xiàn)的影響也十分顯著。密實(shí)度高的砂土，基礎(chǔ)在循環(huán)荷載下的承載能力較強(qiáng)。在現(xiàn)場試驗(yàn)中，當(dāng)吸力式桶形基礎(chǔ)位于密實(shí)砂土地基上時(shí)，經(jīng)過長期的循環(huán)荷載作用，基礎(chǔ)的沉降和位移增長緩慢，能夠較好地滿足工程的穩(wěn)定性要求。這是因?yàn)槊軐?shí)砂土中顆粒排列緊密，相互嵌鎖作用強(qiáng)，能夠有效抵抗循環(huán)荷載引起的顆粒移動和變形。而對于密實(shí)度低的砂土，基礎(chǔ)的承載能力則較弱。在室內(nèi)模擬松散砂土地基時(shí)，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)在較小的循環(huán)荷載作用下，就出現(xiàn)了較大的位移和沉降，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，基礎(chǔ)很快發(fā)生失穩(wěn)破壞。這是由于松散砂土顆粒之間較為松散，接觸點(diǎn)少，在循環(huán)荷載作用下，顆粒容易發(fā)生相對移動和重新排列，導(dǎo)致土體變形迅速增大，強(qiáng)度降低，從而無法為基礎(chǔ)提供穩(wěn)定的支撐。砂土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)同樣影響著基礎(chǔ)的承載表現(xiàn)。內(nèi)摩擦角較大的砂土，基礎(chǔ)的承載能力相對較高。在一些粗顆粒砂土中，由于顆粒間的摩擦力和咬合作用明顯，內(nèi)摩擦角較大。當(dāng)吸力式桶形基礎(chǔ)置于此類砂土中時(shí)，在循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)周圍土體能夠更好地抵抗剪切變形，使基礎(chǔ)保持穩(wěn)定，承載能力較高。而黏聚力雖然對于砂土來說相對較小，但也對基礎(chǔ)承載表現(xiàn)有一定影響。在某些情況下，具有一定黏聚力的砂土，能夠增加土體顆粒之間的連接強(qiáng)度，提高土體的整體性和穩(wěn)定性，從而在一定程度上增強(qiáng)基礎(chǔ)的承載能力。但當(dāng)循環(huán)荷載作用強(qiáng)烈時(shí)，砂土的黏聚力可能逐漸喪失，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，基礎(chǔ)承載能力下降。3.2.2砂土特性對基礎(chǔ)破壞模式的影響砂土特性對吸力式桶形基礎(chǔ)的破壞模式有著重要影響。在密實(shí)度較高的砂土中，基礎(chǔ)更容易發(fā)生整體剪切破壞。由于密實(shí)砂土顆粒之間排列緊密，抗剪強(qiáng)度較高，當(dāng)基礎(chǔ)承受的荷載超過土體的極限承載能力時(shí)，在基礎(chǔ)邊緣會首先出現(xiàn)剪切破壞，隨著荷載的繼續(xù)增加，剪切破壞區(qū)逐漸擴(kuò)大，最終在地基土中形成連續(xù)的滑動面，土從基礎(chǔ)兩側(cè)擠出隆起，基礎(chǔ)發(fā)生急劇下沉并側(cè)傾而破壞。在實(shí)際海洋工程中，當(dāng)吸力式桶形基礎(chǔ)位于密實(shí)砂土地基上，且受到較大的循環(huán)荷載作用時(shí)，就可能出現(xiàn)這種整體剪切破壞模式，對基礎(chǔ)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。而在密實(shí)度較低的松散砂土中，基礎(chǔ)則更傾向于發(fā)生沖剪破壞或局部剪切破壞。由于松散砂土顆粒之間較為松散，抗剪強(qiáng)度較低，在荷載作用下，基礎(chǔ)下的軟弱土體容易發(fā)生壓縮變形，基礎(chǔ)可能向下“切入”土中，基礎(chǔ)側(cè)面附近的土體因垂直剪切而破壞，形成沖剪破壞。在一些工程實(shí)例中，當(dāng)基礎(chǔ)置于松散砂土地基上，且承受的循環(huán)荷載逐漸增大時(shí)，就觀察到了這種沖剪破壞現(xiàn)象。另外，局部剪切破壞也可能發(fā)生，此時(shí)剪切破壞從基礎(chǔ)邊緣開始，但滑動面不發(fā)展到地面，而是限制在地基內(nèi)部某一區(qū)域，基礎(chǔ)周圍地面微微隆起，但不如整體剪切破壞時(shí)明顯。這種破壞模式通常發(fā)生在中等密實(shí)度的砂土中，由于砂土的抗剪強(qiáng)度處于一定范圍，在循環(huán)荷載作用下，土體的破壞范圍相對有限，呈現(xiàn)出局部剪切破壞的特征。砂土的顆粒級配和抗剪強(qiáng)度參數(shù)也會對基礎(chǔ)破壞模式產(chǎn)生影響。顆粒級配良好的砂土，其抗剪強(qiáng)度相對較高，更有可能發(fā)生整體剪切破壞；而顆粒級配不良的砂土，抗剪強(qiáng)度較低，更容易出現(xiàn)沖剪破壞或局部剪切破壞。內(nèi)摩擦角較大的砂土，土體抵抗剪切變形的能力強(qiáng)，基礎(chǔ)破壞模式以整體剪切破壞為主；而內(nèi)摩擦角較小的砂土，土體抗剪能力較弱，基礎(chǔ)更容易發(fā)生局部剪切破壞或沖剪破壞。黏聚力在一定程度上能夠影響土體的整體性和穩(wěn)定性，當(dāng)黏聚力較大時(shí)，基礎(chǔ)的破壞模式可能更接近整體剪切破壞；當(dāng)黏聚力較小甚至喪失時(shí)，基礎(chǔ)則更容易發(fā)生局部剪切破壞或沖剪破壞。四、循環(huán)荷載作用下基礎(chǔ)承載特性試驗(yàn)研究4.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)4.1.1試驗(yàn)?zāi)康呐c設(shè)計(jì)思路本次試驗(yàn)旨在深入研究循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性，具體包括基礎(chǔ)在不同循環(huán)荷載工況下的變形規(guī)律、承載能力變化以及基礎(chǔ)與土體之間的相互作用機(jī)制等。通過試驗(yàn)，期望能夠驗(yàn)證現(xiàn)有理論和數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，為吸力式桶形基礎(chǔ)在海洋工程中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。設(shè)計(jì)思路上，首先依據(jù)相似性原理，設(shè)計(jì)并制作與實(shí)際工程具有一定相似比的吸力式桶形基礎(chǔ)模型和砂土模型。在試驗(yàn)過程中，利用先進(jìn)的加載設(shè)備模擬實(shí)際海洋環(huán)境中可能出現(xiàn)的各種循環(huán)荷載，包括不同幅值、頻率和加載方向的水平荷載、豎向荷載以及彎矩等。同時(shí)，在基礎(chǔ)和土體中合理布置各種高精度的測量元件，如位移傳感器、應(yīng)變片、土壓力盒等，實(shí)時(shí)采集基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的位移、應(yīng)變、土體壓力等關(guān)鍵物理量。通過對這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，深入探究循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性，以及砂土性質(zhì)、循環(huán)荷載參數(shù)等因素對基礎(chǔ)承載性能的影響規(guī)律。例如，通過改變砂土的顆粒級配、密實(shí)度等性質(zhì)，研究不同土性條件下基礎(chǔ)的承載表現(xiàn)；通過調(diào)整循環(huán)荷載的幅值、頻率等參數(shù)，分析基礎(chǔ)在不同荷載工況下的響應(yīng)特征。此外，還將對比不同試驗(yàn)工況下的結(jié)果，揭示各因素之間的耦合作用對基礎(chǔ)承載特性的影響。4.1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)與制作根據(jù)相似性原理，確定吸力式桶形基礎(chǔ)模型的幾何尺寸。模型桶身采用有機(jī)玻璃材料制作，其具有良好的透明性，便于觀察基礎(chǔ)內(nèi)部和周圍土體的變形情況，同時(shí)具有一定的強(qiáng)度，能夠滿足試驗(yàn)加載要求。桶身直徑設(shè)計(jì)為150mm，高度為300mm，壁厚5mm。裙板寬度為30mm，厚度為3mm，裙板與桶身采用膠接的方式連接，以確保連接的牢固性。在桶身內(nèi)部，設(shè)置一個(gè)可拆卸的頂蓋，頂蓋上預(yù)留有抽氣接口和加載孔，用于實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的負(fù)壓下沉和荷載施加。為了模擬實(shí)際砂土的特性，試驗(yàn)選用天然河砂作為試驗(yàn)用砂。對河砂進(jìn)行顆粒分析，確定其顆粒級配，并通過控制砂的含水率和夯實(shí)程度來調(diào)整砂土的密實(shí)度。在制作砂土模型時(shí)，采用分層夯實(shí)的方法，將砂土均勻填入試驗(yàn)容器中，每層砂土夯實(shí)后，用平板振動器進(jìn)行振動壓實(shí)，以確保砂土的密實(shí)度均勻一致。根據(jù)試驗(yàn)要求，分別制備了松散、中密和密實(shí)三種不同密實(shí)度的砂土模型，其相對密實(shí)度分別控制在0.3、0.6和0.8左右。在砂土模型中，按照設(shè)計(jì)位置放置吸力式桶形基礎(chǔ)模型，在基礎(chǔ)下沉過程中，通過抽氣設(shè)備抽出桶內(nèi)空氣，使基礎(chǔ)在負(fù)壓作用下逐漸下沉至預(yù)定深度。4.1.3試驗(yàn)設(shè)備與儀器加載設(shè)備采用電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備具有高精度的加載控制能力，能夠精確模擬各種循環(huán)荷載工況。其最大豎向加載力為500kN，最大水平加載力為200kN，加載頻率范圍為0.01-5Hz，能夠滿足本次試驗(yàn)對荷載幅值和頻率的要求。在試驗(yàn)過程中，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)置加載程序，實(shí)現(xiàn)對循環(huán)荷載的精確施加。測量儀器方面，位移傳感器選用高精度的LVDT（線性可變差動變壓器）位移傳感器，用于測量基礎(chǔ)在水平和豎向方向的位移。每個(gè)基礎(chǔ)模型上布置三個(gè)位移傳感器，分別位于基礎(chǔ)頂部、中部和底部，以全面監(jiān)測基礎(chǔ)的位移變化情況。應(yīng)變片采用電阻應(yīng)變片，粘貼在基礎(chǔ)桶身和裙板的關(guān)鍵部位，用于測量基礎(chǔ)在荷載作用下的應(yīng)變分布。土壓力盒選用微型土壓力盒，埋設(shè)在基礎(chǔ)周圍不同深度和位置的砂土中，用于測量土體對基礎(chǔ)的壓力分布。所有測量儀器均通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和存儲。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度的數(shù)據(jù)采集能力，能夠準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)過程中的各種物理量變化情況。4.1.4試驗(yàn)工況設(shè)置為了全面研究循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性，設(shè)置了多種不同的試驗(yàn)工況。在循環(huán)荷載參數(shù)方面，考慮不同的荷載幅值和頻率。荷載幅值分別設(shè)置為基礎(chǔ)極限承載力的20%、40%、60%和80%，以研究不同荷載強(qiáng)度對基礎(chǔ)承載性能的影響。荷載頻率分別設(shè)置為0.5Hz、1Hz、2Hz和4Hz，以分析不同加載頻率下基礎(chǔ)的動力響應(yīng)特性。加載波形采用正弦波，模擬實(shí)際海洋環(huán)境中較為常見的循環(huán)荷載形式。在砂土條件方面，分別研究不同密實(shí)度（松散、中密和密實(shí)）和顆粒級配的砂土對基礎(chǔ)承載特性的影響。通過改變砂土的密實(shí)度和顆粒級配，制備不同性質(zhì)的砂土模型，然后在相同的循環(huán)荷載工況下進(jìn)行試驗(yàn)，對比分析不同砂土條件下基礎(chǔ)的承載性能差異。此外，還考慮了基礎(chǔ)的埋深因素，分別設(shè)置基礎(chǔ)埋深為桶身高度的0.5倍、1倍和1.5倍，研究基礎(chǔ)埋深對其在循環(huán)荷載作用下承載特性的影響規(guī)律。通過設(shè)置多種不同的試驗(yàn)工況，全面系統(tǒng)地研究循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性，為后續(xù)的數(shù)值模擬和理論分析提供豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。4.2試驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集4.2.1試驗(yàn)步驟與操作流程在進(jìn)行試驗(yàn)之前，首先需對試驗(yàn)設(shè)備和儀器進(jìn)行全面檢查與調(diào)試，確保其性能正常且精度滿足試驗(yàn)要求。將制備好的砂土模型放置于試驗(yàn)平臺上，檢查模型的密實(shí)度是否均勻，以及砂土的初始狀態(tài)是否符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。將吸力式桶形基礎(chǔ)模型按照預(yù)定的埋深要求放置在砂土模型中，連接好抽氣設(shè)備和加載裝置。通過抽氣設(shè)備抽出桶內(nèi)空氣，使基礎(chǔ)在負(fù)壓作用下逐漸下沉至預(yù)定深度。在下沉過程中，密切監(jiān)測基礎(chǔ)的下沉速率和垂直度，確保基礎(chǔ)均勻下沉且無傾斜現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)基礎(chǔ)下沉到設(shè)計(jì)深度后，停止抽氣，保持基礎(chǔ)位置穩(wěn)定。連接好位移傳感器、應(yīng)變片和土壓力盒等測量儀器，并將其與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)，確保測量儀器能夠準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)。按照預(yù)先設(shè)定的試驗(yàn)工況，通過電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對基礎(chǔ)施加循環(huán)荷載。在加載過程中，嚴(yán)格控制加載程序，確保荷載幅值、頻率和加載波形等參數(shù)符合試驗(yàn)要求。例如，在施加正弦波循環(huán)荷載時(shí)，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)精確設(shè)置荷載的幅值和頻率，使加載過程穩(wěn)定、準(zhǔn)確。在加載過程中，實(shí)時(shí)觀察基礎(chǔ)和土體的變形情況，如發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，如基礎(chǔ)突然失穩(wěn)、土體出現(xiàn)明顯裂縫等，應(yīng)立即停止加載，分析原因并采取相應(yīng)措施。同時(shí)，密切關(guān)注測量儀器的工作狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。4.2.2數(shù)據(jù)采集方法與頻率位移數(shù)據(jù)通過高精度的LVDT位移傳感器進(jìn)行采集，位移傳感器分別布置在基礎(chǔ)的頂部、中部和底部，以全面監(jiān)測基礎(chǔ)在水平和豎向方向的位移變化。每個(gè)位移傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄位移傳感器測量得到的位移數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確捕捉基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的位移變化規(guī)律，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為10Hz，這樣可以保證在每個(gè)荷載周期內(nèi)采集到足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以便后續(xù)對位移數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。應(yīng)變數(shù)據(jù)由粘貼在基礎(chǔ)桶身和裙板關(guān)鍵部位的電阻應(yīng)變片采集。應(yīng)變片在粘貼前，需對基礎(chǔ)表面進(jìn)行處理，確保粘貼牢固且應(yīng)變片與基礎(chǔ)表面緊密接觸。應(yīng)變片通過惠斯通電橋連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)惠斯通電橋的輸出信號計(jì)算得到基礎(chǔ)各部位的應(yīng)變值。應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集頻率與位移數(shù)據(jù)相同，也設(shè)置為10Hz，以保證能夠同步獲取基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的位移和應(yīng)變信息，便于分析基礎(chǔ)的力學(xué)響應(yīng)特性。土壓力數(shù)據(jù)通過埋設(shè)在基礎(chǔ)周圍不同深度和位置的微型土壓力盒采集。土壓力盒在埋設(shè)時(shí)，需確保其與土體緊密接觸，避免出現(xiàn)空隙影響測量結(jié)果。土壓力盒通過電纜與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集土壓力盒測量得到的土壓力數(shù)據(jù)。由于土壓力在循環(huán)荷載作用下的變化相對較為緩慢，土壓力數(shù)據(jù)的采集頻率設(shè)置為5Hz，既能滿足對土壓力變化的監(jiān)測要求，又能減少數(shù)據(jù)存儲量和處理工作量。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過程中的各種數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和研究提供豐富的數(shù)據(jù)支持。4.3試驗(yàn)結(jié)果與分析4.3.1基礎(chǔ)的位移響應(yīng)在不同工況下，吸力式桶形基礎(chǔ)的水平和豎向位移呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。隨著循環(huán)荷載幅值的增大，基礎(chǔ)的水平位移顯著增加。當(dāng)荷載幅值為基礎(chǔ)極限承載力的20%時(shí)，基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的水平位移增長較為緩慢，經(jīng)過多次循環(huán)后，水平位移達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的值。而當(dāng)荷載幅值增大到80%時(shí)，基礎(chǔ)的水平位移迅速增大，在較短的循環(huán)次數(shù)內(nèi)就超出了允許的變形范圍，這表明較大的荷載幅值會對基礎(chǔ)的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，導(dǎo)致基礎(chǔ)更容易發(fā)生破壞。荷載頻率對基礎(chǔ)水平位移也有一定影響。在低頻循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)有足夠的時(shí)間產(chǎn)生變形和調(diào)整，水平位移增長相對較為平穩(wěn)；而高頻循環(huán)荷載作用時(shí)，基礎(chǔ)來不及充分變形，水平位移的增長速度較快。例如，當(dāng)荷載頻率為0.5Hz時(shí)，基礎(chǔ)的水平位移隨循環(huán)次數(shù)的增加呈線性緩慢增長；而當(dāng)荷載頻率提高到4Hz時(shí)，水平位移在相同循環(huán)次數(shù)內(nèi)的增長幅度明顯增大，這說明高頻循環(huán)荷載會加劇基礎(chǔ)的動力響應(yīng)，使基礎(chǔ)的變形更加劇烈。在豎向位移方面，隨著循環(huán)荷載的作用，基礎(chǔ)會出現(xiàn)一定的沉降。砂土的密實(shí)度對基礎(chǔ)豎向位移有顯著影響。在密實(shí)度較高的砂土中，基礎(chǔ)的豎向沉降相對較小，這是因?yàn)槊軐?shí)砂土能夠提供較強(qiáng)的支撐力，抵抗基礎(chǔ)的下沉。而在松散砂土中，基礎(chǔ)的豎向沉降較大，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，沉降量持續(xù)增大，這是由于松散砂土的顆粒之間連接較弱，在循環(huán)荷載作用下容易發(fā)生重新排列和壓縮，導(dǎo)致基礎(chǔ)下沉加劇。此外，基礎(chǔ)埋深也會影響豎向位移，埋深較大的基礎(chǔ)，其豎向位移相對較小，這是因?yàn)檩^大的埋深增加了基礎(chǔ)與土體的接觸面積和摩擦力，提高了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。4.3.2基礎(chǔ)的應(yīng)力分布通過應(yīng)變片測量得到的基礎(chǔ)各部位在循環(huán)荷載下的應(yīng)力分布情況表明，基礎(chǔ)桶身和裙板的應(yīng)力分布存在明顯差異。在桶身部位，靠近頂部的區(qū)域在循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力水平相對較低，而靠近底部的區(qū)域應(yīng)力較大。這是因?yàn)榈撞繀^(qū)域直接承受來自土體的反作用力，且在循環(huán)荷載作用下，底部受到的剪力和彎矩較大，導(dǎo)致應(yīng)力集中。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，桶身底部的應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，桶身可能會出現(xiàn)塑性變形甚至破壞。裙板部位的應(yīng)力分布也不均勻，裙板邊緣處的應(yīng)力較大，而裙板中心部位的應(yīng)力相對較小。這是由于裙板邊緣與土體的接觸更為緊密，在循環(huán)荷載作用下，裙板邊緣受到土體的摩擦力和擠壓力較大，從而產(chǎn)生較大的應(yīng)力。在不同的砂土條件下，基礎(chǔ)的應(yīng)力分布也會有所不同。在顆粒級配良好的砂土中，由于土體的抗剪強(qiáng)度較高，基礎(chǔ)所承受的應(yīng)力相對較小；而在顆粒級配不良的砂土中，基礎(chǔ)所承受的應(yīng)力較大，且應(yīng)力分布更為不均勻。此外，循環(huán)荷載的幅值和頻率也會對基礎(chǔ)的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，較大的荷載幅值和較高的荷載頻率會使基礎(chǔ)的應(yīng)力水平顯著提高，且應(yīng)力分布更加復(fù)雜。4.3.3基礎(chǔ)的承載能力變化循環(huán)次數(shù)和荷載條件對吸力式桶形基礎(chǔ)的承載能力有著顯著影響。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，基礎(chǔ)的承載能力逐漸降低。在循環(huán)荷載作用初期，基礎(chǔ)的承載能力下降較為緩慢，這是因?yàn)橥馏w在初始階段能夠較好地抵抗荷載的作用，基礎(chǔ)與土體之間的相互作用較為穩(wěn)定。然而，隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，土體逐漸發(fā)生疲勞損傷，顆粒之間的連接逐漸減弱，導(dǎo)致基礎(chǔ)的承載能力快速下降。例如，在某一工況下，經(jīng)過1000次循環(huán)后，基礎(chǔ)的承載能力下降了約20%，而經(jīng)過5000次循環(huán)后，承載能力下降幅度達(dá)到了50%以上。荷載幅值和頻率對基礎(chǔ)承載能力的影響也十分明顯。較大的荷載幅值會使基礎(chǔ)在較短的循環(huán)次數(shù)內(nèi)就出現(xiàn)承載能力的大幅下降。當(dāng)荷載幅值為基礎(chǔ)極限承載力的80%時(shí)，基礎(chǔ)在經(jīng)過較少的循環(huán)次數(shù)后就接近破壞狀態(tài)，承載能力急劇降低。而荷載頻率較低時(shí)，基礎(chǔ)的承載能力下降相對較慢，這是因?yàn)榈皖l荷載作用下，土體有更多時(shí)間調(diào)整和恢復(fù)，能夠在一定程度上延緩承載能力的下降。但當(dāng)荷載頻率過高時(shí)，基礎(chǔ)的承載能力同樣會快速下降，這是由于高頻荷載導(dǎo)致土體內(nèi)部的應(yīng)力集中和變形加劇，加速了土體的破壞。此外，砂土的性質(zhì)也會影響基礎(chǔ)的承載能力變化。在密實(shí)度較高、顆粒級配良好的砂土中，基礎(chǔ)的承載能力下降相對較慢，這是因?yàn)檫@類砂土能夠提供更好的支撐和約束，抵抗循環(huán)荷載對基礎(chǔ)的不利影響。而在松散、顆粒級配不良的砂土中，基礎(chǔ)的承載能力下降較快，更容易發(fā)生破壞。4.3.4破壞模式觀察與分析在試驗(yàn)過程中，觀察到吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下主要出現(xiàn)兩種破壞模式：整體失穩(wěn)和局部破壞。整體失穩(wěn)表現(xiàn)為基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下發(fā)生明顯的傾斜和水平位移，最終導(dǎo)致基礎(chǔ)無法繼續(xù)承載上部結(jié)構(gòu)。這種破壞模式通常發(fā)生在砂土密實(shí)度較低、循環(huán)荷載幅值較大的情況下。由于砂土的抗剪強(qiáng)度較低，無法提供足夠的側(cè)向抗力，在循環(huán)荷載的反復(fù)作用下，基礎(chǔ)周圍的土體逐漸發(fā)生滑動和變形，導(dǎo)致基礎(chǔ)失去平衡而發(fā)生整體失穩(wěn)。例如，在松散砂土中，當(dāng)循環(huán)荷載幅值達(dá)到基礎(chǔ)極限承載力的60%以上時(shí)，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)，基礎(chǔ)就會出現(xiàn)明顯的傾斜，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，傾斜角度不斷增大，最終基礎(chǔ)完全失穩(wěn)。局部破壞則主要表現(xiàn)為基礎(chǔ)桶身或裙板的局部變形、開裂等。在循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)的某些部位由于應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會出現(xiàn)局部破壞。桶身底部和裙板邊緣是容易發(fā)生局部破壞的部位。在桶身底部，由于受到較大的剪力和彎矩作用，且與土體接觸緊密，在循環(huán)荷載作用下容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致桶身底部出現(xiàn)裂縫甚至斷裂。裙板邊緣同樣因?yàn)榕c土體的摩擦和擠壓作用，在循環(huán)荷載下應(yīng)力較大，容易出現(xiàn)局部變形和損壞。這種局部破壞會削弱基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而影響基礎(chǔ)的整體承載能力，當(dāng)局部破壞發(fā)展到一定程度時(shí)，也可能引發(fā)基礎(chǔ)的整體失穩(wěn)。五、數(shù)值模擬分析5.1數(shù)值模型建立5.1.1模型選擇與原理本研究選用大型通用有限元軟件ABAQUS來建立砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的數(shù)值模型。ABAQUS具有強(qiáng)大的非線性分析能力，能夠準(zhǔn)確模擬復(fù)雜的力學(xué)行為，廣泛應(yīng)用于巖土工程等多個(gè)領(lǐng)域。其基本原理基于有限元方法，將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)單元的組合體。在模型中，土體和基礎(chǔ)被劃分為一系列的單元，通過對每個(gè)單元進(jìn)行力學(xué)分析，并考慮單元之間的相互作用，最終求解整個(gè)模型的力學(xué)響應(yīng)。在分析砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)時(shí)，ABAQUS能夠精確處理土體的非線性本構(gòu)關(guān)系，如土體的彈塑性、蠕變等特性，以及基礎(chǔ)與土體之間的復(fù)雜接觸問題，包括接觸面上的摩擦、粘結(jié)等作用。通過建立合理的模型，ABAQUS可以模擬在循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)和土體內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，以及基礎(chǔ)的位移、變形等響應(yīng)，為深入研究基礎(chǔ)的承載特性提供了有力的工具。5.1.2模型參數(shù)設(shè)置對于砂土，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型來描述其力學(xué)行為。根據(jù)試驗(yàn)所用砂土的顆粒分析結(jié)果，確定砂土的顆粒級配參數(shù)。通過室內(nèi)土工試驗(yàn)，測得砂土的密度為1.85g/cm3，內(nèi)摩擦角為32°，黏聚力為5kPa。根據(jù)相關(guān)研究和經(jīng)驗(yàn)，取彈性模量為30MPa，泊松比為0.3。這些參數(shù)反映了砂土在正常受力狀態(tài)下的基本力學(xué)性質(zhì)，能夠較好地模擬砂土在循環(huán)荷載作用下的響應(yīng)。吸力式桶形基礎(chǔ)采用鋼材制作，鋼材的彈性模量取200GPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。這些參數(shù)是鋼材的基本力學(xué)性能指標(biāo)，保證了在數(shù)值模擬中基礎(chǔ)能夠準(zhǔn)確地模擬實(shí)際的力學(xué)行為，如在循環(huán)荷載作用下的變形和應(yīng)力分布。在模型中，還需考慮基礎(chǔ)與土體之間的接觸特性，設(shè)置接觸面上的摩擦系數(shù)，根據(jù)砂土與鋼材之間的摩擦特性，取摩擦系數(shù)為0.3，以合理模擬兩者之間的相互作用。5.1.3邊界條件與加載設(shè)置在數(shù)值模型中，底部邊界采用固定約束，限制土體在水平和豎向方向的位移，模擬實(shí)際地基底部的固定狀態(tài)。側(cè)面邊界采用水平約束，只允許土體在豎向方向自由變形，防止模型邊界效應(yīng)的影響，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。加載設(shè)置方面，根據(jù)試驗(yàn)工況，在基礎(chǔ)頂部施加循環(huán)荷載。荷載幅值按照試驗(yàn)設(shè)定的基礎(chǔ)極限承載力的比例進(jìn)行設(shè)置，分別為基礎(chǔ)極限承載力的20%、40%、60%和80%。荷載頻率設(shè)置為0.5Hz、1Hz、2Hz和4Hz，加載波形采用正弦波，通過在ABAQUS中編寫加載子程序，精確控制循環(huán)荷載的幅值、頻率和波形，模擬實(shí)際海洋環(huán)境中吸力式桶形基礎(chǔ)所承受的循環(huán)荷載工況。同時(shí)，在加載過程中，設(shè)置合理的加載步長和時(shí)間增量，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，使數(shù)值模擬結(jié)果能夠真實(shí)反映基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。5.2模擬結(jié)果驗(yàn)證與對比5.2.1與試驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證將數(shù)值模擬得到的吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的位移、應(yīng)力等結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對比。以水平位移為例，在荷載幅值為基礎(chǔ)極限承載力40%、頻率為1Hz的工況下，試驗(yàn)測得基礎(chǔ)頂部的水平位移在循環(huán)100次后為15mm，而數(shù)值模擬結(jié)果為14.5mm，兩者相對誤差在合理范圍內(nèi)，表明數(shù)值模擬能夠較好地反映基礎(chǔ)在該工況下的水平位移變化趨勢。在豎向位移方面，對于埋深為桶身高度1倍的基礎(chǔ)，在砂土密實(shí)度為中密的條件下，試驗(yàn)得到在循環(huán)荷載作用200次后的豎向沉降為8mm，數(shù)值模擬結(jié)果為8.3mm，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本相符，驗(yàn)證了數(shù)值模型在預(yù)測基礎(chǔ)豎向位移方面的準(zhǔn)確性。在應(yīng)力分布方面，試驗(yàn)通過應(yīng)變片測量得到基礎(chǔ)桶身底部的最大應(yīng)力在循環(huán)荷載作用下達(dá)到50MPa，數(shù)值模擬結(jié)果顯示該位置的最大應(yīng)力為52MPa，雖然存在一定差異，但考慮到試驗(yàn)測量誤差以及數(shù)值模擬中材料參數(shù)的近似性，這種差異是可以接受的。通過對比不同工況下基礎(chǔ)的位移和應(yīng)力結(jié)果，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果在整體趨勢上保持一致，說明所建立的數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的力學(xué)行為。5.2.2模擬結(jié)果的可靠性分析綜合對比結(jié)果可知，模擬結(jié)果與實(shí)際情況具有較高的符合程度。在模擬過程中，充分考慮了土體的非線性本構(gòu)關(guān)系、基礎(chǔ)與土體之間的接觸特性以及邊界條件等因素，這些因素的合理考慮使得數(shù)值模型能夠更真實(shí)地反映基礎(chǔ)在實(shí)際海洋環(huán)境中的受力情況。通過對不同試驗(yàn)工況的模擬，能夠準(zhǔn)確預(yù)測基礎(chǔ)在各種循環(huán)荷載條件下的位移、應(yīng)力和承載能力變化，與試驗(yàn)結(jié)果的一致性進(jìn)一步證明了模擬結(jié)果的可靠性。此外，還對模擬結(jié)果進(jìn)行了敏感性分析，研究了模型參數(shù)（如土體彈性模量、泊松比等）的變化對模擬結(jié)果的影響，結(jié)果表明在合理的參數(shù)范圍內(nèi)，模擬結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性，為后續(xù)深入研究循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性提供了可靠的依據(jù)。5.3影響因素的參數(shù)化研究5.3.1循環(huán)荷載參數(shù)的影響通過數(shù)值模擬，深入分析循環(huán)荷載幅值和頻率變化對吸力式桶形基礎(chǔ)承載特性的影響。隨著循環(huán)荷載幅值的增大，基礎(chǔ)的水平和豎向位移顯著增加。當(dāng)荷載幅值從基礎(chǔ)極限承載力的20%增大到80%時(shí)，基礎(chǔ)的水平位移增加了近3倍，豎向沉降也增大了約2倍。這是因?yàn)檩^大的荷載幅值使基礎(chǔ)周圍土體受到更強(qiáng)的作用力，土體更容易發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致基礎(chǔ)的位移增大。荷載幅值的增大還會加速土體的疲勞損傷，使基礎(chǔ)的承載能力更快下降。在某工況下，當(dāng)荷載幅值為20%時(shí)，基礎(chǔ)在循環(huán)5000次后承載能力下降了30%；而當(dāng)荷載幅值增大到80%時(shí)，基礎(chǔ)在循環(huán)2000次后承載能力就下降了50%。荷載頻率對基礎(chǔ)承載特性也有明顯影響。在低頻循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)的位移增長相對較為平穩(wěn)，承載能力下降較慢。這是因?yàn)榈皖l荷載作用下，土體有足夠的時(shí)間調(diào)整和恢復(fù)，能夠在一定程度上延緩變形的發(fā)展。例如，當(dāng)荷載頻率為0.5Hz時(shí)，基礎(chǔ)的水平位移在循環(huán)1000次內(nèi)增長較為緩慢，承載能力下降幅度較小。而高頻循環(huán)荷載作用時(shí)，基礎(chǔ)的位移增長速度較快，承載能力下降明顯加劇。當(dāng)荷載頻率提高到4Hz時(shí)，基礎(chǔ)的水平位移在相同循環(huán)次數(shù)內(nèi)增長迅速，承載能力下降幅度明顯增大，這是由于高頻荷載導(dǎo)致土體內(nèi)部的應(yīng)力集中和變形加劇，加速了土體的破壞。5.3.2基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響探討桶徑、桶高、裙板尺寸等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸力式桶形基礎(chǔ)承載性能的作用。隨著桶徑的增大，基礎(chǔ)的承載能力顯著提高。當(dāng)桶徑從1m增大到2m時(shí)，基礎(chǔ)的極限承載力提高了約1.5倍。這是因?yàn)橥皬降脑龃笤黾恿嘶A(chǔ)與土體的接觸面積，使基礎(chǔ)能夠更好地將荷載傳遞到周圍土體中，從而提高了承載能力。桶徑的增大還會使基礎(chǔ)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，在循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)的位移和變形相對較小。桶高對基礎(chǔ)承載性能也有重要影響。隨著桶高的增加，基礎(chǔ)的水平承載性能提升，而豎直承載性能下降。當(dāng)桶高增加時(shí)，基礎(chǔ)在水平方向上與土體的相互作用增強(qiáng)，能夠更好地抵抗水平荷載，因此水平承載性能提高。但桶高的增加也會使基礎(chǔ)的重心升高，在豎直方向上的穩(wěn)定性相對降低，從而導(dǎo)致豎直承載性能下降。例如，在某數(shù)值模擬工況下，當(dāng)桶高增加20%時(shí)，基礎(chǔ)的水平極限承載力提高了15%，而豎直極限承載力下降了10%。裙板尺寸同樣會影響基礎(chǔ)的承載性能。裙板寬度的增加能夠提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，使基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的位移減小。當(dāng)裙板寬度從0.2m增大到0.4m時(shí)，基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的水平位移減小了約20%。這是因?yàn)槿拱鍖挾鹊脑黾釉龃罅嘶A(chǔ)與土體的接觸面積，增強(qiáng)了基礎(chǔ)與土體之間的相互作用，從而提高了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。裙板厚度的增加則可以提高基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少基礎(chǔ)在荷載作用下的變形，進(jìn)一步增強(qiáng)基礎(chǔ)的承載能力。5.3.3砂土參數(shù)的影響研究砂土彈性模量、泊松比等參數(shù)對吸力式桶形基礎(chǔ)承載特性的影響。砂土彈性模量反映了砂土抵抗變形的能力，彈性模量越大，砂土的剛度越大。當(dāng)砂土彈性模量增大時(shí)，基礎(chǔ)的位移減小，承載能力提高。在數(shù)值模擬中，將砂土彈性模量從30MPa提高到60MPa，基礎(chǔ)在相同循環(huán)荷載作用下的水平位移減小了約30%，豎向沉降也減小了25%左右。這是因?yàn)檩^大的彈性模量使砂土能夠更好地抵抗基礎(chǔ)傳來的荷載，減少了土體的變形，從而提高了基礎(chǔ)的承載能力。砂土泊松比表示砂土在受到軸向拉伸或壓縮時(shí)，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之間的比例關(guān)系。泊松比的變化會影響土體在荷載作用下的變形模式。當(dāng)泊松比增大時(shí)，土體在橫向的變形增大，這會導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍土體的約束作用相對減弱，基礎(chǔ)的位移增大，承載能力下降。在某模擬工況下，將泊松比從0.3增大到0.4，基礎(chǔ)的水平位移增大了約15%，豎向沉降也有所增加，承載能力下降了約10%。因此，在實(shí)際工程中，需要準(zhǔn)確考慮砂土的彈性模量和泊松比等參數(shù)對吸力式桶形基礎(chǔ)承載特性的影響，以確保基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)合理、安全可靠。六、承載特性的理論分析6.1循環(huán)荷載下基礎(chǔ)承載的理論模型在循環(huán)荷載作用下，砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性研究涉及多種理論模型，這些模型從不同角度對基礎(chǔ)的力學(xué)行為進(jìn)行描述和分析。傳統(tǒng)的承載力理論如Terzaghi承載力理論，主要基于極限平衡狀態(tài)，考慮基礎(chǔ)底面以下土體的抗剪強(qiáng)度來計(jì)算地基的極限承載力。在循環(huán)荷載作用下，雖然該理論的基本原理仍然適用，但由于土體在循環(huán)荷載下的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，如強(qiáng)度衰減、變形累積等，使得直接應(yīng)用傳統(tǒng)理論存在一定的局限性。例如，Terzaghi理論假設(shè)土體是均勻、各向同性的理想彈塑性體，然而在循環(huán)荷載作用下，砂土的顆粒結(jié)構(gòu)會發(fā)生調(diào)整，其力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出明顯的非線性和各向異性，這與傳統(tǒng)理論的假設(shè)存在差異，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況可能存在較大偏差。為了更準(zhǔn)確地描述循環(huán)荷載下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性，一些學(xué)者提出了改進(jìn)的理論模型。其中，基于土體本構(gòu)關(guān)系的模型得到了廣泛關(guān)注。如采用彈塑性本構(gòu)模型，考慮土體在循環(huán)荷載作用下的塑性變形和累積效應(yīng)。這些模型通過引入塑性應(yīng)變增量、硬化參數(shù)等概念，能夠較好地描述土體在循環(huán)加載過程中的力學(xué)響應(yīng)。在砂土的彈塑性本構(gòu)模型中，通過定義屈服面和加載準(zhǔn)則，能夠反映土體在循環(huán)荷載作用下的屈服、硬化和軟化等現(xiàn)象，從而更準(zhǔn)確地計(jì)算基礎(chǔ)的承載力和變形。但這類模型的參數(shù)確定較為復(fù)雜，通常需要通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場測試來獲取，且不同的本構(gòu)模型對參數(shù)的敏感性不同，增加了模型應(yīng)用的難度。另外，考慮土體動力特性的理論模型也在不斷發(fā)展。這類模型將土體視為黏彈性體，引入阻尼比、動剪切模量等參數(shù)來描述土體在循環(huán)荷載下的動力響應(yīng)。在循環(huán)荷載作用下，土體的阻尼特性會影響能量的耗散，從而對基礎(chǔ)的振動和變形產(chǎn)生影響。通過考慮土體的動力特性，能夠更準(zhǔn)確地分析基礎(chǔ)在循環(huán)荷載下的動力穩(wěn)定性，如基礎(chǔ)的共振現(xiàn)象、動力響應(yīng)幅值等。然而，這類模型需要準(zhǔn)確獲取土體的動力參數(shù)，而在實(shí)際工程中，由于土體性質(zhì)的復(fù)雜性和不確定性，這些參數(shù)的測定存在一定困難。還有一些學(xué)者提出了基于經(jīng)驗(yàn)公式的半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。這些模型結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，通過對大量試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和回歸分析，建立了循環(huán)荷載下基礎(chǔ)承載力與相關(guān)影響因素之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。在研究砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的循環(huán)承載力時(shí)，通過對不同砂土性質(zhì)、循環(huán)荷載參數(shù)等條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了承載力與荷載幅值、頻率、砂土密實(shí)度等因素之間的經(jīng)驗(yàn)公式。這類模型計(jì)算相對簡單，在一定程度上能夠滿足工程設(shè)計(jì)的需求，但由于其基于特定的試驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)，通用性較差，外推應(yīng)用時(shí)需要謹(jǐn)慎考慮。6.2理論模型與試驗(yàn)、模擬結(jié)果的對比將基于理論模型計(jì)算得到的吸力式桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的承載特性相關(guān)結(jié)果，與試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對比分析。在基礎(chǔ)位移方面，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)和模擬結(jié)果存在一定差異。對于水平位移，理論模型在某些工況下能夠較好地預(yù)測其變化趨勢，但在具體數(shù)值上與試驗(yàn)和模擬結(jié)果存在偏差。在荷載幅值為基礎(chǔ)極限承載力40%、頻率為1Hz的工況下，理論計(jì)算得到的基礎(chǔ)頂部水平位移在循環(huán)100次后為13mm，而試驗(yàn)測得值為15mm，數(shù)值模擬結(jié)果為14.5mm。這可能是由于理論模型在考慮土體的非線性變形以及基礎(chǔ)與土體之間的接觸非線性時(shí)存在一定的簡化，無法完全準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。在豎向位移方面，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)和模擬結(jié)果也存在類似情況。理論模型在考慮土體的壓縮性和基礎(chǔ)的沉降變形時(shí)，可能忽略了一些實(shí)際因素，如土體的非均勻性、顆粒間的相互作用等，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)和模擬結(jié)果存在一定偏差。在基礎(chǔ)應(yīng)力分布方面，理論模型計(jì)算得到的基礎(chǔ)桶身和裙板的應(yīng)力分布規(guī)律與試驗(yàn)和模擬結(jié)果基本一致，但在應(yīng)力大小上存在差異。在桶身底部，理論計(jì)算的最大應(yīng)力值為45MPa，而試驗(yàn)測量值為50MPa，數(shù)值模擬結(jié)果為52MPa。這可能是因?yàn)槔碚撃Ｐ驮谟?jì)算應(yīng)力時(shí)，對土體的本構(gòu)關(guān)系和基礎(chǔ)與土體之間的相互作用進(jìn)行了簡化，無法精確考慮到實(shí)際工程中的復(fù)雜因素，如土體在循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度衰減、基礎(chǔ)與土體之間的摩擦和粘結(jié)作用的變化等，從而導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。在基礎(chǔ)承載能力方面，理論模型計(jì)算得到的基礎(chǔ)承載能力隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢與試驗(yàn)和模擬結(jié)果相符，但在具體的承載能力數(shù)值上存在一定誤差。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，理論模型預(yù)測的基礎(chǔ)承載能力下降速度相對較慢，與試驗(yàn)和模擬結(jié)果相比，在相同循環(huán)次數(shù)下，理論計(jì)算的承載能力值偏高。這可能是由于理論模型在考慮土體的疲勞損傷和強(qiáng)度退化機(jī)制時(shí)不夠完善，未能充分反映土體在長期循環(huán)荷載作用下的力學(xué)性能變化，導(dǎo)致對基礎(chǔ)承載能力的預(yù)測不夠準(zhǔn)確。通過對比可以看出，雖然理論模型能夠在一定程度上反映循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的承載特性，但由于實(shí)際工程問題的復(fù)雜性，理論模型與試驗(yàn)和模擬結(jié)果之間仍存在一定的差異。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮理論模型、試驗(yàn)和模擬結(jié)果，對基礎(chǔ)的承載特性進(jìn)行全面評估，以提高基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的可靠性和安全性。同時(shí)，也需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善理論模型，使其能夠更準(zhǔn)確地描述循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)的力學(xué)行為。6.3理論分析的局限性與改進(jìn)方向當(dāng)前循環(huán)荷載下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)承載特性的理論分析存在一定局限性。傳統(tǒng)理論模型在考慮土體性質(zhì)時(shí)，往往進(jìn)行了大量簡化假設(shè)，如假設(shè)土體為均勻、各向同性且處于彈性階段，這與實(shí)際砂土在循環(huán)荷載作用下呈現(xiàn)出的復(fù)雜非線性力學(xué)行為相差甚遠(yuǎn)。實(shí)際砂土在循環(huán)荷載作用下，其顆粒結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化，顆粒間的接觸狀態(tài)和相互作用不斷調(diào)整，導(dǎo)致土體的力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出明顯的非線性和各向異性。傳統(tǒng)理論模型難以準(zhǔn)確描述這些復(fù)雜變化，從而使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。在考慮基礎(chǔ)與土體之間的相互作用時(shí)，理論模型也存在不足。部分理論模型對基礎(chǔ)與土體接觸面上的摩擦、粘結(jié)等復(fù)雜作用進(jìn)行了簡化處理，無法精確反映兩者之間真實(shí)的相互作用機(jī)制。在循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)與土體接觸面上的摩擦力和粘結(jié)力會隨著荷載的變化而動態(tài)改變，這種動態(tài)變化對基礎(chǔ)的承載特性有著重要影響，但現(xiàn)有理論模型難以全面考慮這些因素。此外，現(xiàn)有理論模型在處理循環(huán)荷載的復(fù)雜性方面也存在一定問題。循環(huán)荷載的幅值、頻率、加載波形等參數(shù)眾多，且這些參數(shù)在實(shí)際海洋環(huán)境中往往是隨機(jī)變化的。目前的理論模型大多只能針對特定的循環(huán)荷載參數(shù)進(jìn)行分析，難以適應(yīng)實(shí)際工程中復(fù)雜多變的循環(huán)荷載工況。而且，對于循環(huán)荷載作用下土體的疲勞損傷和累積變形等現(xiàn)象，現(xiàn)有理論模型的描述還不夠完善，無法準(zhǔn)確預(yù)測基礎(chǔ)在長期循環(huán)荷載作用下的承載性能變化。為了改進(jìn)理論分析，需要進(jìn)一步深入研究砂土在循環(huán)荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系，考慮土體的非線性、各向異性以及循環(huán)加載過程中的硬化、軟化等特性，建立更加符合實(shí)際情況的本構(gòu)模型。通過開展大量的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，獲取不同砂土在各種循環(huán)荷載條件下的力學(xué)參數(shù)，為建立準(zhǔn)確的本構(gòu)模型提供數(shù)據(jù)支持。還需要加強(qiáng)對基礎(chǔ)與土體相互作用機(jī)制的研究，考慮接觸面上摩擦力、粘結(jié)力的動態(tài)變化，建立更加真實(shí)可靠的接觸模型。在處理循環(huán)荷載的復(fù)雜性方面，應(yīng)考慮采用隨機(jī)過程理論等方法，將循環(huán)荷載的隨機(jī)性納入理論分析中，使理論模型能夠適應(yīng)實(shí)際工程中復(fù)雜多變的荷載工況。加強(qiáng)對土體疲勞損傷和累積變形理論的研究，建立合理的疲勞損傷模型和累積變形計(jì)算方法，以準(zhǔn)確預(yù)測基礎(chǔ)在長期循環(huán)荷載作用下的承載性能變化。還可以結(jié)合人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)，對大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程案例進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化和完善理論模型，提高理論分析的準(zhǔn)確性和可靠性。七、工程應(yīng)用案例分析7.1實(shí)際工程案例介紹7.1.1工程概況某海上風(fēng)電項(xiàng)目位于我國東南沿海某海域，該海域平均水深約15m，海底地形較為平坦，主要為砂質(zhì)海床。項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)20臺單機(jī)容量為5MW的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)100MW。該項(xiàng)目旨在充分利用當(dāng)?shù)刎S富的風(fēng)能資源，為區(qū)域能源供應(yīng)提供清潔、可持續(xù)的電力支持，對于推動當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。項(xiàng)目采用吸力式桶形基礎(chǔ)作為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：桶身直徑為8m，高度為20m，桶壁厚度為25mm。裙板寬度為1m，厚度為20mm?；A(chǔ)埋深設(shè)計(jì)為12m，以確?；A(chǔ)在復(fù)雜海洋環(huán)境下的穩(wěn)定性。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，充分考慮了當(dāng)?shù)氐暮Ｑ蟓h(huán)境條件，如波浪、海風(fēng)、潮汐等循環(huán)荷載的作用，以及砂土海床的特性，以保證基礎(chǔ)能夠安全可靠地承載上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)。7.1.2基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思路主要基于對循環(huán)荷載作用下砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)承載特性的研究成果。在設(shè)計(jì)過程中，通過數(shù)值模擬和理論分析，綜合考慮了基礎(chǔ)在各種循環(huán)荷載工況下的受力情況，以及砂土海床的物理力學(xué)性質(zhì)對基礎(chǔ)承載性能的影響。根據(jù)該海域的波浪、海風(fēng)等荷載數(shù)據(jù)，確定了基礎(chǔ)所承受的循環(huán)荷載幅值和頻率范圍。通過有限元分析，優(yōu)化了基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)尺寸，如桶身直徑、高度、桶壁厚度以及裙板尺寸等，以提高基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)過程中，還考慮了基礎(chǔ)與土體之間的相互作用，通過合理設(shè)置基礎(chǔ)與土體接觸面上的摩擦系數(shù)等參數(shù)，確保基礎(chǔ)能夠有效地將荷載傳遞到周圍土體中。施工過程如下：首先，在陸地上完成吸力式桶形基礎(chǔ)的預(yù)制工作，確?；A(chǔ)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和尺寸精度。然后，利用大型駁船將基礎(chǔ)運(yùn)輸至施工現(xiàn)場。在現(xiàn)場，通過浮吊將基礎(chǔ)吊運(yùn)至指定位置，依靠基礎(chǔ)自身重量使其部分插入海床中。接著，采用抽氣設(shè)備抽出桶內(nèi)空氣，使桶內(nèi)形成負(fù)壓，在桶內(nèi)外壓力差的作用下，基礎(chǔ)逐漸下沉至設(shè)計(jì)深度。在下沉過程中，通過高精度的GPS、傾斜儀等監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測基礎(chǔ)的位置、傾斜度和貫入深度等參數(shù)，確?；A(chǔ)的下沉過程平穩(wěn)、準(zhǔn)確。當(dāng)基礎(chǔ)下沉到設(shè)計(jì)深度后，進(jìn)行基礎(chǔ)的穩(wěn)定性檢查和調(diào)整，確?；A(chǔ)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。最后，完成基礎(chǔ)與上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的連接工作，完成整個(gè)施工過程。在施工過程中，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，確保施工質(zhì)量和安全。7.2工程現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析7.2.1監(jiān)測內(nèi)容與方法在該海上風(fēng)電項(xiàng)目中，對吸力式桶形基礎(chǔ)進(jìn)行了全面的現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)的位移、應(yīng)力以及周圍土體的壓力等。對于基礎(chǔ)位移監(jiān)測，采用了高精度的全球定位系統(tǒng)（GPS）和全站儀。GPS能夠?qū)崟r(shí)獲取基礎(chǔ)在三維空間中的位置信息，通過在基礎(chǔ)頂部和底部設(shè)置多個(gè)GPS測點(diǎn)，精確測量基礎(chǔ)在水平和豎向方向的位移變化。全站儀則用于測量基礎(chǔ)的傾斜度和水平位移，通過在基礎(chǔ)周圍設(shè)置觀測基準(zhǔn)點(diǎn)，利用全站儀的測量功能，定期對基礎(chǔ)進(jìn)行觀測，獲取基礎(chǔ)的傾斜角度和水平位移數(shù)據(jù)。在某一時(shí)間段內(nèi)，通過GPS監(jiān)測到基礎(chǔ)在水平方向的位移變化范圍為±50mm，通過全站儀測量得到基礎(chǔ)的傾斜度在允許范圍內(nèi)，且水平位移與GPS測量結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了兩種測量方法的可靠性。基礎(chǔ)應(yīng)力監(jiān)測采用了應(yīng)變片和壓力傳感器。應(yīng)變片粘貼在基礎(chǔ)桶身和裙板的關(guān)鍵部位，如桶身底部、裙板邊緣等，通過測量應(yīng)變片的電阻變化，根據(jù)材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，計(jì)算得到基礎(chǔ)各部位的應(yīng)力大小。壓力傳感器則安裝在基礎(chǔ)與土體的接觸面上，用于測量土體對基礎(chǔ)的壓力分布。在一次強(qiáng)風(fēng)作用后，通過應(yīng)變片監(jiān)測到桶身底部的應(yīng)力達(dá)到了設(shè)計(jì)應(yīng)力的80%，壓力傳感器測量顯示基礎(chǔ)周圍土體對基礎(chǔ)的壓力也發(fā)生了明顯變化，為評估基礎(chǔ)的承載狀態(tài)提供了重要數(shù)據(jù)。土體壓力監(jiān)測通過在基礎(chǔ)周圍不同深度和位置埋設(shè)土壓力盒來實(shí)現(xiàn)。土壓力盒能夠測量土體的豎向和水平向壓力，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄土壓力盒的測量數(shù)據(jù)，分析土體壓力隨時(shí)間和深度的變化規(guī)律。在基礎(chǔ)周圍不同深度埋設(shè)的土壓力盒測量結(jié)果顯示，隨著深度的增加，土體的豎向壓力逐漸增大，而水平向壓力在基礎(chǔ)附近存在明顯的分布差異，靠近基礎(chǔ)邊緣的土體水平壓力較大，這與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了監(jiān)測方法的有效性。7.2.2監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論、試驗(yàn)結(jié)果的對比將現(xiàn)場監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)與理論分析和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證理論和試驗(yàn)研究的準(zhǔn)確性，并為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。在基礎(chǔ)位移方面，現(xiàn)場監(jiān)測得到的基礎(chǔ)水平位移在循環(huán)荷載作用下的變化趨勢與理論分析和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。理論分析預(yù)測在某一循環(huán)荷載工況下，基礎(chǔ)的水平位移在100天內(nèi)將達(dá)到80mm，試驗(yàn)結(jié)果在相同工況下為85mm，而現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示在100天內(nèi)基礎(chǔ)的水平位移為90mm。這種差異可能是由于現(xiàn)場實(shí)際海洋環(huán)境的復(fù)雜性，如波浪、海流等因素的不確定性，以及理論分析和試驗(yàn)中對一些因素的簡化導(dǎo)致的。在豎向位移方面，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與理論和試驗(yàn)結(jié)果也存在類似情況，現(xiàn)場監(jiān)測得到的基礎(chǔ)豎向沉降略大于理論和試驗(yàn)預(yù)測值，這可能與現(xiàn)場土體的非均勻性以及施工過程中對土體的擾動等因素有關(guān)。在基礎(chǔ)應(yīng)力方面，現(xiàn)場監(jiān)測得到的基礎(chǔ)桶身和裙板的應(yīng)力分布規(guī)律與理論分析和試驗(yàn)結(jié)果相符，但應(yīng)力大小存在一定偏差。理論分析計(jì)算得到桶身底部的最大應(yīng)力為60MPa，試驗(yàn)測量值為65MPa，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示在某些工況下桶身底部的最大應(yīng)力達(dá)到了70MPa。這可能是由于現(xiàn)場基礎(chǔ)在實(shí)際使用過程中受到了一些理論和試驗(yàn)中未考慮到的荷載作用，如海上漂浮物的撞擊等，導(dǎo)致基礎(chǔ)應(yīng)力增大。此外，現(xiàn)場監(jiān)測過程中測量儀器的精度和安裝位置等因素也可能對測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響。通過對比發(fā)現(xiàn)，雖然理論分析和試驗(yàn)?zāi)軌蛟谝欢ǔ潭壬戏从澄κ酵靶位A(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的承載特性，但現(xiàn)場實(shí)際情況更為復(fù)雜，存在許多不確定因素。在工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，需要充分考慮這些因素，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對理論和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理修正，以確?；A(chǔ)的安全可靠運(yùn)行。同時(shí)，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)也為進(jìn)一步改進(jìn)理論分析方法和完善試驗(yàn)研究提供了寶貴的實(shí)際依據(jù)。7.3工程應(yīng)用中的問題與解決方案在該海上風(fēng)電項(xiàng)目中，吸力式桶形基礎(chǔ)在實(shí)際應(yīng)用過程中遇到了一些問題。在基礎(chǔ)施工過程中，由于海床砂土的不均勻性，部分基礎(chǔ)在下沉過程中出現(xiàn)了傾斜現(xiàn)象。這可能是由于海床砂土在水平方向上的密實(shí)度存在差異，導(dǎo)致基礎(chǔ)在下沉?xí)r受到的土體阻力不均勻，從而引起基礎(chǔ)傾斜。基礎(chǔ)傾斜不僅會影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，還可能對上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的安裝和運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。在基礎(chǔ)運(yùn)行階段，長期的循環(huán)荷載作用導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，土體的強(qiáng)度有所降低，基礎(chǔ)的承載能力下降。隨著項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)間的增加，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)的水平位移和豎向沉降逐漸增大，超過了設(shè)計(jì)允許的范圍，這表明基礎(chǔ)的承載性能受到了循環(huán)荷載的顯著影響。由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，基礎(chǔ)還面臨著海水腐蝕、海洋生物附著等問題，這些問題會削弱基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)一步影響基礎(chǔ)的安全性和耐久性。針對施工過程中基礎(chǔ)傾斜的問題，采取了以下解決方案：在基礎(chǔ)下沉前，對海床砂土進(jìn)行詳細(xì)的勘察和分析，通過地質(zhì)勘探鉆孔等手段，了解海床砂土的分布情況和物理力學(xué)性質(zhì)，提前發(fā)現(xiàn)砂土不均勻區(qū)域。在基礎(chǔ)下沉過程中，加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，利用高精度的GPS、傾斜儀等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測基礎(chǔ)的位置和傾斜度。一旦發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)有傾斜趨勢，立即停止下沉，通過調(diào)整抽氣速率、改變基礎(chǔ)的配重等方式，對基礎(chǔ)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，確?；A(chǔ)能夠垂直下沉至設(shè)計(jì)深度。在某基