一种深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法

摘要

本发明公开了一种深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，首先根据海床地质条件参数、钢圆筒条件参数建立钢圆筒仿真分析模型，建立海床地质条件参数、钢圆筒条件参数与极限荷载间的函数关系；然后采集波浪循环荷载作用下钢圆筒周期性位移对海床土体产生的动态应力数据，通过室内试验得到同等动态应力水平下海床土体弱化范围及弱化强度的试验数据，建立其与波浪循环荷载的相关函数；然后根据海床土体弱化范围及弱化强度试验数据，计算出对应的弱化后海床土体的承载力，并反演计算出等效的海床地质条件参数，再计算出与之对应的极限荷载衰减系数；最后结合极限荷载衰减系数和所得函数关系，即可获得考虑了波浪循环荷载作用下钢圆筒极限荷载的预测模型。

权利要求

1.一种深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据海床地质条件参数、钢圆筒条件参数利用有限元分析软件建立钢圆筒仿真分析模型；

步骤2：利用仿真分析模型，分析不同海床地质条件参数、钢圆筒条件参数下对应的钢圆筒失稳时的极限荷载，建立海床地质条件参数、钢圆筒条件参数与极限荷载间的函数关系；

步骤3：采集不同波浪循环荷载作用下，钢圆筒周期性位移对海床土体产生的动态应力的大小及动态应力分布区域数据，然后采用静态三轴剪切试验和动态三轴剪切试验，得到同等动态应力大小及动态应力分布下海床土体弱化范围A及弱化强度η的试验数据，然后建立海床土体弱化范围A及弱化强度η与波浪循环荷载的函数关系；

步骤4：根据步骤3中得到的海床土体弱化范围A及弱化强度η试验数据，运用室内模型试验方法，计算出对应的弱化后海床土体的承载力，再计算出弱化后等效的海床地质条件参数；然后结合步骤2已建立的海床地质条件参数、钢圆筒条件参数与极限荷载间的函数关系，计算出与弱化后等效的海床地质条件参数对应的极限荷载大小，再计算出极限荷载衰减系数ε，然后建立极限荷载衰减系数ε与海床土体弱化范围A及弱化强度η的函数关系；

步骤5：将步骤2至步骤4所得函数相结合，获得结合了波浪循环荷载作用下钢圆筒失稳极限荷载的预测模型。

2.根据权利要求1所述的深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，其特征在于：海床地质条件参数包括：土体重度、土体粘聚力和土体内摩擦角。

3.根据权利要求1所述的深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，其特征在于：钢圆筒条件参数具体包括：钢圆筒外径、钢圆筒壁厚、钢圆筒高度、钢圆筒埋设深度和钢圆筒内部填料类型。

4.根据权利要求1所述的深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，其特征在于：波浪循环荷载包括以下参数：水深、波浪波长、不同波浪力。

5.根据权利要求1所述的深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，其特征在于，步骤2包括以下步骤：

S2.1：在仿真分析模型中改变海床地质条件参数、钢圆筒条件参数中的单个参数x1的数值，然后计算给定荷载作用高度H下对应的极限荷载大小P的变化，并进行数据相关性分析，获得在给定荷载作用高度下对应的代表该单个参数x1影响程度的无量纲化影响系数β1；

S2.2：重复步骤S2.1，获得给定荷载作用高度H下代表海床地质条件参数、钢圆筒条件参数中剩余参数(x2，x3，x4，x5……)影响程度的无量纲化影响系数(β2，β3，β4，β5……)；

S2.3：根据步骤S2.1和S2.2的结果，建立基于各个参数(x1，x2，x3，x4，x5……)预测极限荷载大小P的函数关系式：P~ f(H，β1，β2，β3，β4，β5……)。

6.根据权利要求1所述的深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，其特征在于：步骤3中，依据钢圆筒周期性位移对海床土体产生的动态应力的大小及动态应力分布区域数据，对工程区域地基土体进行原位取土，将原状土样运至实验室后分别进行静态三轴剪切和动态三轴剪切试验，通过静态三轴剪切试验，获得土样的静态抗剪强度，通过动态三轴剪切试验，获得土样的动态抗剪强度，将动态抗剪强度与静抗剪强度相除，得取土点位土样的弱化强度η。

7.根据权利要求6所述的深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，其特征在于：步骤3中，原位取土采用薄壁取土器，每个取土点位至少取两个邻近原状土样，一个原状土样用于土体静态三轴剪切试验，另一个原状土样用于土体动态三轴剪切试验。

8.根据权利要求1所述的深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，其特征在于：步骤4中，ε等于弱化后等效的海床地质条件参数对应的极限荷载大小除以不受波浪循环荷载作用下海床土体的初始海床地质条件参数下对应的极限荷载大小。

9.根据权利要求1所述的深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，其特征在于：步骤4中，计算出的弱化后等效的海床地质条件参数包括：弱化后土体重度W弱、弱化后土体粘聚力c弱和弱化后土体内摩擦角ϕ弱，计算方法如下：根据汉森地基承载力计算公式：

p=c×Nc×Sc×dc×ic+q×Nq×Sq×iq+0.5×W×D×Nr×Sr×ir，其中Sc、Sq、Sr为结构物基础的形状修正系数，dc为结构物基础埋深修正系数，ic、iq、ir为结构物荷载倾斜修正系数，q为钢圆筒结构总重量，D为钢圆筒直径，这9个参数在海床土体弱化前后无变化，因此海床土体弱化前后承载力的比值 ，p原为弱化前海床土体承载力，p弱为弱化后海床土体承载力，G1代表Sc×dc×ic，G2代表q×Sq×iq，G3代表0.5×D×Sr×ir，G1、G2、G3在海床土体弱化前后不变；

Nc、Nq、Nr为与土体内摩擦角ϕ相关的修正系数， ，， ；

假设弱化后海床承载力p弱为原承载力p原的k倍，则需保证 ，其中，先计算 ，因为 中仅含ϕ弱一个未知数，通过计算获得弱化后的土体内摩擦角ϕ弱；其次计算 和 ，由于ϕ弱已知后，Nc弱和Nr弱也已知，因此，求出c弱和W弱。

说明书

一种深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法

技术领域

[0001] 本发明属于深水钢圆筒在位稳定性设计领域，具体涉及一种深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法。

背景技术

[0002] 插入式圆筒结构作为一种新型的海工结构，具有造价低、工期短、稳定性强等优点，被广泛应用于人工岛建设的工程实践中。大量的工程经验和研究表明：插入式钢圆筒结
构的工作机理复杂，不能单纯的当作重力式考虑，其稳定性受海床、波浪和内部填料等因素
影响显著。

[0003] 在以往的国内外工程实践中，为防止钢圆筒出现失稳，只能借助于现场试验和相似工程经验，进行钢圆筒抗失稳设计。然而钢圆筒施工过程中，钢圆筒施工场地的水文条件
处于不断的变化之中，波浪循环荷载下海床地基的抗失稳能力也在不断变化，而前期设计
很难准确评估这些变化对钢圆筒稳定性的影响，导致钢圆筒可能出现潜在的失稳风险。

发明内容

[0004] 一种深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0005] 步骤1：根据海床地质条件参数、钢圆筒条件参数利用有限元分析软件建立钢圆筒仿真分析模型；

[0006] 步骤2：利用仿真分析模型，分析不同海床地质条件参数、钢圆筒条件参数下对应的钢圆筒失稳时的极限荷载，建立海床地质条件参数、钢圆筒条件参数与极限荷载间的函
数关系；

[0007] 步骤3：采集不同波浪循环荷载作用下，钢圆筒周期性位移对海床土体产生的动态应力的大小及动态应力分布区域数据，然后采用静态三轴剪切试验和动态三轴剪切试验，
得到同等动态应力大小及动态应力分布下海床土体弱化范围A及弱化强度η的试验数据，然
后建立海床土体弱化范围A及弱化强度η与波浪循环荷载的函数关系；

[0008] 步骤4：根据步骤3中得到的海床土体弱化范围A及弱化强度η试验数据，运用室内模型试验方法，计算出对应的弱化后海床土体的承载力，再计算出弱化后等效的海床地质
条件参数；然后结合步骤2已建立的海床地质条件参数、钢圆筒条件参数与极限荷载间的函
数关系，计算出与弱化后等效的海床地质条件参数对应的极限荷载大小，再计算出极限荷
载衰减系数ε，然后建立极限荷载衰减系数ε与海床土体弱化范围A及弱化强度η的函数关
系；

[0009] 步骤5：将步骤2至步骤4所得函数相结合，获得结合了波浪循环荷载作用下钢圆筒失稳极限荷载的预测模型。

[0010] 在上述技术方案中，海床地质条件参数包括：土体重度、土体粘聚力和土体内摩擦角。

[0011] 在上述技术方案中，钢圆筒条件参数具体包括：钢圆筒外径、钢圆筒壁厚、钢圆筒高度、钢圆筒埋设深度和钢圆筒内部填料类型。

[0012] 在上述技术方案中，波浪循环荷载包括以下参数：水深、波浪波长、不同波浪力。

[0013] 在上述技术方案中，步骤2包括以下步骤：

[0014] S2.1：在仿真分析模型中改变海床地质条件参数、钢圆筒条件参数中的单个参数x1的数值，然后计算给定荷载作用高度H下对应的极限荷载大小P的变化，并进行数据相关
性分析，获得在给定荷载作用高度下对应的代表该单个参数x1影响程度的无量纲化影响系
数β1；

[0015] S2.2：重复步骤S2.1，获得给定荷载作用高度H下代表海床地质条件参数、钢圆筒条件参数中剩余参数(x2，x3，x4，x5……)影响程度的无量纲化影响系数(β2，β3，β4，β5……)；

[0016] S2.3：根据步骤S2.1和S2.2的结果，建立基于各个参数(x1，x2，x3，x4，x5……)预测极限荷载大小P的函数关系式：P~ f(H，β1，β2，β3，β4，β5……)。

[0017] 在上述技术方案中，步骤3中，依据钢圆筒周期性位移对海床土体产生的动态应力的大小及动态应力分布区域数据，对工程区域地基土体进行原位取土，将原状土样运至实
验室后分别进行静态三轴剪切和动态三轴剪切试验，通过静态三轴剪切试验，获得土样的
静态抗剪强度，通过动态三轴剪切试验，获得土样的动态抗剪强度，将动态抗剪强度与静抗
剪强度相除，得取土点位土样的弱化强度η。

[0018] 在上述技术方案中，步骤3中，原位取土采用薄壁取土器，每个取土点位至少取两个邻近原状土样，一个原状土样用于土体静态三轴剪切试验，另一个原状土样用于土体动
态三轴剪切试验。

[0019] 在上述技术方案中，步骤4中，ε等于弱化后等效的海床地质条件参数对应的极限荷载大小除以不受波浪循环荷载作用下海床土体的初始海床地质条件参数下对应的极限
荷载大小。

[0020] 在上述技术方案中，步骤4中，计算出的弱化后等效的海床地质条件参数包括：弱化后土体重度W弱、弱化后土体粘聚力c弱和弱化后土体内摩擦角ϕ弱，计算方法如下：

[0021] 根据汉森地基承载力计算公式：

[0022] p=c×Nc×Sc×dc×ic+q×Nq×Sq×iq+0.5×W×D×Nr×Sr×ir，其中Sc、Sq、Sr为结构物基础的形状修正系数，dc为结构物基础埋深修正系数，ic、iq、ir为结构物荷载倾斜修正
系数，q为钢圆筒结构总重量，D为钢圆筒直径，这9个参数在海床土体弱化前后无变化，因此
海床土体弱化前后承载力的比值 ，p原为弱化
前海床土体承载力，p弱为弱化后海床土体承载力，G1代表Sc×dc×ic，G2代表q×Sq×iq，G3代
表0.5×D×Sr×ir，G1、G2、G3在海床土体弱化前后不变；

[0023] Nc、Nq、Nr为与土体内摩擦角ϕ相关的修正系数， ，， ；

[0024] 假 设 弱 化 后 海 床 承 载 力p 弱为 原 承 载 力p 原的 k 倍 ，则需 保 证，其中，先计算 ，因为
中仅含ϕ弱一个未知数，通过计算获得弱化后的土体内摩擦角ϕ弱；其次计算
和 ，由于ϕ弱已知后，Nc弱和Nr弱也已知，因此，求出c弱和W弱。

[0025] 本发明的优点和有益效果为：

[0026] 本发明的深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法通过建立各类工程参数与钢圆筒所能承受的极限荷载相关性的数学模型，实现钢圆筒稳定性的预测和加固方案设计。不同于传
统基于以往工程经验和小规模室内模型试验的方法，本发明揭示并量化了各个工程参数对
钢圆筒失稳极限荷载的影响程度，同时还兼顾考虑了循环波浪荷载引起的地基弱化问题，
因此对钢圆筒稳定性预测的可靠性远大于传统方法。

附图说明

[0027] 图1是本发明的深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法的流程图。

具体实施方式

[0028] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例附图工作流程图进一步说明本发明的技术方案。

[0029] 参见附图1，一种深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，包括以下步骤：

[0030] 步骤S1：根据海床地质条件参数、钢圆筒条件参数利用有限元分析软件建立钢圆筒仿真分析模型。

[0031] 首先，收集现场工程实测数据，包括：海床地质条件参数（海床地质条件参数包括：土体重度W、土体粘聚力c和土体内摩擦角ϕ）、钢圆筒条件参数（钢圆筒条件参数包括：钢圆
筒外径D、钢圆筒壁厚w、钢圆筒高度Hc、钢圆筒埋设深度S和钢圆筒内部填料类型M）。

[0032] 根据上述数据利用ABAQUS有限元分析软件建立钢圆筒仿真分析模型，利用该模型能够计算出钢圆筒失稳时的极限荷载大小及极限荷载作用高度（在该仿真分析模型中对钢
圆筒设定高度位置施加荷载，当钢圆筒位移量开始无限增大时，此时的荷载即为失稳时对
应的极限荷载，施加荷载的高度位置即为极限荷载作用高度；也就是说，在不同的高度位置
施加荷载，能够得到对应的失稳极限荷载大小）。具体的讲：在本实施例中，首先，在ABAQUS
软件中进行三维实体建模，分别建立钢圆筒模型、钢圆筒内部填料模型和海床地基模型。其
中，钢圆筒模型的钢圆筒外径、壁厚和高度按工程资料进行选取；海床地基模型尺寸为：长
度和宽度皆等于10倍钢圆筒外径，深度为钢圆筒埋深加上50m，并根据土体重度W、土体粘聚
力c和土体内摩擦角ϕ等数据赋予海床地基模型合适的单元类型和约束；对钢圆筒和海床
地基土体进行组装，并划分网格，网格尺寸以1m为典型尺度进行划分。计算时设置4个分析
步，第1个分析步为地应力平衡分析步，用以恢复原状地基土体内的地基应力；第2步为钢圆
筒打设模拟步，挖去原状地基中钢圆筒插入部分的土体，并将钢圆筒下沉至指定高程，然后
对钢圆筒施加重力；第3步为钢圆筒填料模拟步，将钢圆筒填料填充至钢圆筒模型内，并对
筒内填料施加重力；第4步为钢圆筒稳定性分析步，对钢圆筒上某一点施加集中水平力，逐
步增大该水平力的数值，直至钢圆筒在该水平力作用下产生失稳破坏，记录此时的水平力
大小，及该水平力施加点距离海床泥面的高度，这一组数值即为钢圆筒的极限荷载大小P和
其对应的极限荷载作用高度H。

[0033] 步骤S2：利用上述仿真分析模型，分析不同海床地质条件参数、钢圆筒条件参数下对应的钢圆筒失稳时的极限荷载，按如下过程建立海床地质条件参数、钢圆筒条件参数与
极限荷载间的函数关系。

[0034] S2.1：在仿真分析模型中改变海床地质条件参数、钢圆筒条件参数中的单个参数x1的数值，然后计算给定荷载作用高度H下对应的极限荷载大小P的变化，并进行数据相关
性分析，即可获得在给定荷载作用高度H下对应的代表该参数x1影响程度的无量纲化影响
系数β1。也就是说，每个不同的荷载作用高度对应不同的无量纲化影响系数β1，在本实施例
中，自钢圆筒40米以上沿钢圆筒高度方向每间隔1米的高度确定为一个荷载作用位置，每个
荷载作用位置对应一个代表该参数x1影响程度的无量纲化影响系数β1。

[0035] S2.2：重复步骤S2.1，获得给定荷载作用高度H下代表剩余参数(x2，x3，x4，x5……)影响程度的无量纲化影响系数(β2，β3，β4，β5……)。

[0036] S2.3：根据步骤S2.1和S2.2的结果，建立基于各个参数(x1，x2，x3，x4，x5……)预测极限荷载大小P的函数关系式：P~ f(H，β1，β2，β3，β4，β5……)，例如，P=k1β1×k2β1×k3β3×k4
β4×k5β5×…×knH/Hc，式中，Hc为钢圆筒高度，k1 、k2 、k3 、k4、k5、kn为待定系数，每个荷载
作用高度H对应一组无量纲化影响系数（β1，β2，β3，β4，β5……）。

[0037] 步骤S3：获取不同水深Hw、波浪波长L、不同波浪力F的波浪循环荷载作用下，钢圆筒周期性位移对海床土体产生的动态应力的大小及动态应力分布区域数据，然后采用室内
静态三轴剪切试验和动态三轴剪切试验，分析同等动态应力水平下海床土体强度弱化规
律，得到海床土体弱化范围A及弱化强度η的试验数据。具体的讲：首先依据钢圆筒周期性位
移对海床土体产生的动态应力的大小及动态应力分布区域数据，对工程区域地基土体进行
原位取土，例如，距钢圆筒水平距离100 m内，深度30 m内的地基土体会受到明显的影响，则
需要对该区域土体进行取样，根据动态应力随水平距离的衰减程度，规划取土点位的水平
间距。若动态应力随水平距离的衰减明显，则需减小取土点位的水平间距；若动态应力随水
平距离的衰减缓慢，则可适当增大取土点位的水平间距。原位取土采用薄壁取土器，每个取
土点位至少取两个邻近原状土样，一个原状土样用于土体静态三轴剪切试验，另一个原状
土样用于土体动态三轴剪切试验。然后，将原状土样运至实验室后分别进行静态三轴剪切
和动态三轴剪切试验，通过静态三轴剪切试验，获得土样的静态抗剪强度，通过动态三轴剪
切试验，获得动力循环加载后的土样的动态抗剪强度，将动态抗剪强度与原先获得的静抗
剪强度相除，即获得取土点位土样的弱化强度η。根据所有取土点位土样的弱化强度η数据，
即可获得海床土体弱化区域范围和弱化区域范围内弱化强度η的分布情况，根据各取土点
位弱化强度η的大小等级对弱化范围A进行合理划分，本实施例中，将弱化范围A分为三部
分： 。

[0038] 然后，根据得到的海床土体弱化范围A、弱化强度η数据，运用最小二乘法拟合出水深Hw、波浪波长L、波浪力F与海床土体弱化范围A、弱化强度η的关系，建立海床土体弱化范
围A及弱化强度η与水深Hw、波浪波长L、波浪力F的相关函数：(A，η) ζ(Hw，L，F)，例如，
~
，式中，D是钢圆筒外
径。

[0039] 步骤S4：根据步骤S3中室内静态、动态三轴剪切试验得到的海床土体弱化范围A及弱化强度η试验数据，运用室内模型试验方法，计算出对应的弱化后海床土体的承载力，并
采用承载力计算理论反演计算出弱化后等效的海床地质条件参数（包括：弱化后土体重度
W弱、弱化后土体粘聚力c弱和弱化后土体内摩擦角ϕ弱），具体计算方法如下：

[0040] 根据汉森地基承载力计算公式：

[0041] p=c×Nc×Sc×dc×ic+q×Nq×Sq×iq+0.5×W×D×Nr×Sr×ir，其中Sc、Sq、Sr为结构物基础的形状修正系数，dc为结构物基础埋深修正系数，ic、iq、ir为结构物荷载倾斜修正
系数，q为钢圆筒结构总重量，D为钢圆筒直径，这9个参数在海床土体弱化前后无变化，因此
海床土体弱化前后承载力的比值  ，p原为弱化
前海床土体承载力，p弱为弱化后海床土体承载力，G1代表Sc×dc×ic，G2代表q×Sq×iq，G3代
表0.5×D×Sr×ir，G1、G2、G3在海床土体弱化前后不变；

[0042] Nc、Nq、Nr为与土体内摩擦角ϕ相关的修正系数， ，， ；

[0043] 假 设 弱 化 后 海 床 承 载 力p 弱为 原 承 载 力p 原的 k 倍 ，则需 保 证，其中，先计算 ，因为
中仅含ϕ弱一个未知数，通过计算获得弱化后的土体内摩擦角ϕ弱；其次计算
和 ，由于ϕ弱已知后，Nc弱和Nr弱也已知，因此，求出c弱和W弱。

[0044] 然后结合步骤S2已建立的基于各海床地质条件参数、钢圆筒条件参数预测极限荷载大小P的函数关系式P~ f(H，β1，β2，β3，β4，β5……)，计算出与弱化后等效的海床地质条件
参数对应的极限荷载大小（计算时，极限荷载的作用高度H按照步骤S3中对应的波浪循环荷
载的水深Hw进行取值，也就是说在水面位置对钢圆筒形成荷载），再计算出极限荷载衰减系
数ε，ε≤ 1，所述ε等于弱化后等效的海床地质条件参数对应的极限荷载大小除以不受波浪
循环荷载作用下海床土体的初始海床地质条件参数下对应的极限荷载大小；然后运用最小
二乘法拟合出海床土体弱化范围A及弱化强度η与极限荷载衰减系数ε的关系，建立极限荷
载衰减系数ε与海床土体弱化范围A及弱化强度η的相关函数关系ε g(A，η)，例如，
~
。

[0045] 步骤S5：根据步骤S4获得的极限荷载衰减系数ε与海床土体弱化范围A、弱化强度η的函数关系，以及步骤S3获得的海床土体弱化范围A、弱化强度η与水深Hw、波浪波长L、波浪
力F的函数关系，即可得到极限荷载衰减系数ε与水深Hw、波浪波长L、波浪力F的函数关系，
再将极限荷载衰减系数ε乘以步骤S1所得的预测极限荷载大小P的函数，即可获得考虑了波
浪循环荷载作用下钢圆筒失稳极限荷载的预测模型：P~ ε×f(H，β1，β2，β3，β4，β5……)。

[0046] 在实际工程设计中，采用上述深水薄壁钢圆筒稳定性预测方法，根据海床地质条件参数、钢圆筒条件参数及波浪循环荷载参数，即可预测算出钢圆筒所能承受的极限荷载P
以及钢圆筒当前实际承受的荷载PT，并自动计算出安全系数K，K=P/ PT。若安全系数K小于1，
结构不稳定时，则先试算不考虑循环荷载引起的衰减情况下（即ε = 1），安全系数K是否能
够满足要求。若满足要求，则进行地基加固处理方案设计，依据函数(A，η) ζ(Hw，L，F)所给
~
出的海床地基弱化范围，进行地基加固深度和范围的设计。若ε = 1情况下的试算时安全系
数K仍不满足要求，则进行钢圆筒设计优化，直至安全系数K满足要求。

[0047] 发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明
的保护范围。