一种黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法及装置

　　本发明提供了一种黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法及装置,通过计算获取黏土海床中目标土体的目标不排水抗剪强度分布函数,并基于滑移线理论,将目标不排水抗剪强度分布函数转化为固结后土体的应力特征线方程,再根据有限差分法进行方程求解,获得预载作用下的条形基础的固结承载力。本方发明能够快速、准确地计算条形基础的固结承载力,解决了土体固结导致地基承载力提高所造成固结承载力不准确的问题,提高了计算条形基础的固结承载力的准确性。

　　对黏土海床中的目标土体进行测试,获取所述目标土体的目标不排水抗剪强度分布函数,其中,所述目标土体具体为,位于条形基础与上部结构下方的土体,以及所述目标不排水抗剪强度分布函数为,根据第一不排水抗剪强度分布函数和孔压响应函数,结合固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系计算获得,

　　根据所述目标不排水抗剪强度分布函数,通过滑移线法进行计算,获得固结后土体的应力特征线方程,

　　根据所述应力特征线方程,通过预设的有限差分法进行求解,获得预载作用下的条形基础的固结承载力。

　　2.根据权利要求1所述的黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法,其特征在于,所述对黏土海床中的目标土体进行测试,获取所述目标土体的目标不排水抗剪强度分布函数,具体为,

　　对黏土海床中的目标土体进行原位测试,获得所述目标土体的第一不排水抗剪强度分布函数,

　　根据预设的竖向荷载,通过预设的应力分布计算公式,获得所述目标土体的孔压响应函数,其中,所述竖向荷载由结构自重和环境荷载所产生,以及所述孔压响应函数包括所有所述目标土体中每个坐标位置对应的孔压响应,

　　根据所述第一不排水抗剪强度分布函数和所述孔压响应函数,通过固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系,计算获得所述目标土体的第二不排水抗剪强度分布函数,其中,所述竖向有效应力根据所述孔压响应函数计算所得,以及所述第二不排水抗剪强度分布函数为所述目标不排水抗剪强度分布函数。

　　3.根据权利要求2所述的黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法,其特征在于,所述根据预设的竖向荷载,通过预设的应力分布计算公式,获得所述目标土体的孔压响应函数,具体为,

　　根据所述竖向荷载,通过预设的应力分布计算公式,计算获得条形均布荷载作用下的目标土体中的孔压响应函数,计算公式为,

　　其中,Δuw为孔压响应函数,Vp为竖向荷载,B为基础宽度,土中任意一点的坐标表示为(x,z),x为计算点离均布荷载左边缘的水平距离,z为计算点离荷载左边缘的竖向距离。

　　4.根据权利要求2所述的黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法,其特征在于,所述根据所述第一不排水抗剪强度分布函数和所述孔压响应函数,通过固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系,计算获得所述目标土体的第二不排水抗剪强度分布函数,具体为,

　　通过固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系,计算固结黏土层不排水抗剪强度函数,具体公式为,

　　将所述第一不排水抗剪强度分布函数与所述固结黏土层不排水抗剪强度函数进行预设的加权计算,获得目标土体的第二不排水抗剪强度分布函数。

　　5.根据权利要求2所述的黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法,其特征在于,所述根据目标不排水抗剪强度分布函数,通过滑移线法进行计算,获得固结后土体的应力特征线方程,具体为,

　　根据所述目标不排水抗剪强度分布函数,获得x方向的正应力方程、z方向的正应力方程和平面内的剪应力方程,

　　根据所述x方向的正应力方程、z方向的正应力方程和平面内的剪应力方程,代入所述滑移线法中预设的平衡方程,求得所述固结后土体的应力特征线方程,其中,所述固结后土体的应力特征线方程包括,α线的应力特征线方程和β线的应力特征线所述的黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法,其特征在于,所述根据所述应力特征线方程,通过预设的有限差分法进行求解,具体为,

　　根据已知点参数的形式和已知点的固结后土体的不排水抗剪强度,将所述固结后土体的应力特征线方程转化为有限差分方程,其中,所述已知点参数的形式包括,x坐标、z坐标、特征应力、以及大主应力方向与Z轴的夹角,

　　在每一次第二已知点参数的计算中,将上一次计算所获得的第二已知点参数,加入到第一已知点参数集中,并在更新后的第一已知点参数集中,选取未同时代入方程计算的两个点参数,代入有限差分方程中,进行第二已知点参数的计算,其中,所述第一已知点参数集在迭代开始前,已包含两个已知点参数,

　　比较每次计算获得的第二已知点参数与上一次计算获得的第二已知点参数,当满足预设的条件时,停止迭代,获得第二已知点参数集,当不满足预设的条件时,继续进行迭代。

　　7.根据权利要求6所述的黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法,其特征在于,所述获得预载作用下的条形基础的固结承载力,具体为,根据获得的第二已知点参数集,滑移线网络上每一点的x坐标、每一点的z坐标、每一点的特征应力、以及每一点的大主应力方向与Z轴的夹角,从而获得条形基础的固结承载力。

　　8.根据权利要求6所述的黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法,其特征在于,将有限差分方程离散化,并通过数值程序的形式,进行第二已知点参数的迭代计算。

　　9.根据权利要求2所述的黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法,其特征在于,在所述获得预载作用后的条形基础的固结承载力之后,还包括,根据所述预载作用后的条形基础的固结承载力,重新调整第一条形基础的设计参数,获得新的竖向荷载,并根据所述新

　　的竖向荷载,进行固结承载力的计算,从而根据重新计算后的固结承载力获得第二条形基础的设计参数,其中,所述第二条形基础的设计参数趋于稳定值。

　　10.一种黏土海床中条形基础的固结承载力预测装置,其特征在于,包括,第一计算模块、第二计算模块和第三计算模块,

　　所述第一计算模块,用于对黏土海床中的目标土体进行测试,获取所述目标土体的目标不排水抗剪强度分布函数,其中,所述目标土体具体为,位于条形基础与上部结构下方的土体,以及所述目标不排水抗剪强度分布函数为,根据第一不排水抗剪强度分布函数和孔压响应函数,结合固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系计算获得,

　　所述第二计算模块,用于根据所述目标不排水抗剪强度分布函数,通过滑移线法进行计算,获得固结后土体的应力特征线方程,

　　所述第三计算模块,根据所述应力特征线方程,通过预设的有限差分法进行求解,获得预载作用下的条形基础的固结承载力。

　　[0001] 本发明涉及工程地质领域,尤其涉及一种黏土海床中条形基础固结承载力的预测方法及装置。

　　[0002] 由于我国近海区域主要为软黏土海床,对于这种类型的海床进行能源开发时,一般采用浅基础来进行施工,从而减少施工成本。当浅基础长宽比L/B较大时,可将其视作条形基础进行分析。现阶段,对条形基础承载力的评估主要基于土体的原位应力状态,考虑的是条形基础的未固结不排水承载力Vuu(以下简称未固结承载力) ,但在条形基础投入使用的过程中,海床会受到预载作用(一般为基础和上部结构自重产生的竖向荷载)并发生固结效应,导致土体强度提高,地基承载力显著增大,此时的地基承载力可称为条形基础的固结不排水承载力Vcu(以下简称固结承载力) 。尤其是在海洋环境下,继续沿用陆上环境的基于基础未固结承载力的设计规范,而不考虑海床的固结效应,将导致估算的条形基础承载力过于保守,造成施工成本的浪费。因此,针对黏土海床中使用的条形基础,有必要对期固结承载力进行研究。

　　[0003] 现有技术中,由韩冬冬在《岩土力学》中发表的“条形粗糙基础极限承载力求解与误差分析”一文中,利用滑移线法和有限差分法,计算了粗糙条形基础的极限承载力,探讨了土体粘聚力、内摩擦角和重度的共同作用,并给出了Nγ的拟合公式。但是,现有技术大多数聚焦于条形基础的未固结承载力,对于固结承载力的研究也主要基于有限元方法,对于不同工况需分别建模进行分析,过程较为繁琐。

　　[0004] 因此,亟需一种条形基础的固结承载力的预测策略,来解决现有技术未考虑土体固结所导致的地基承载力提高,而造成条形基础施工浪费的问题。

　　[0005] 本发明实施例提供一种黏土海床中条形基础固结承载力的预测方法及装置,以提高条形基础的固结承载力的计算准确度。

　　[0006] 为了解决上述问题,本发明一实施例提供一种黏土海床中条形基础固结承载力的预测方法,包括,

　　[0007] 对黏土海床中的目标土体进行测试,获取所述目标土体的目标不排水抗剪强度分布函数,其中,所述目标土体具体为,位于条形基础与上部结构下方的土体,以及所述目标不排水抗剪强度分布函数,具体为,根据第一不排水抗剪强度分布函数和孔压响应函数,结合固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系计算获得,

　　[0008] 根据所述目标不排水抗剪强度分布函数,通过滑移线法进行计算,获得固结后土体的应力特征线] 根据所述应力特征线方程,通过预设的有限差分法进行求解,获得预载作用下的条形基础的固结承载力。

　　[001 1] 本发明提供了一种黏土海床中条形基础固结承载力的预测方法,通过计算获取黏土海床中目标土体的目标不排水抗剪强度分布函数,并基于滑移线理论,将目标不排水抗剪强度分布函数转化为固结后土体的应力特征线方程,再根据有限差分法进行方程求解,获得预载作用下的条形基础的固结承载力。本方发明能够快速、准确地计算条形基础的固结承载力,解决了土体固结导致地基承载力提高所造成固结承载力不准确的问题,提高了计算条形基础的固结承载力的准确性。

　　[0012] 作为上述方案的改进,所述对黏土海床中的目标土体进行测试,获取所述目标土体的目标不排水抗剪强度分布函数,具体为,对黏土海床中的目标土体进行原位测试,获得所述目标土体的第一不排水抗剪强度分布函数,根据预设的竖向荷载,通过预设的应力分布计算公式,获得所述目标土体的孔压响应函数,其中,所述竖向荷载由结构自重和环境荷载所产生,以及所述孔压响应函数包括所有所述目标土体中每个坐标位置对应的孔压响应,根据所述第一不排水抗剪强度分布函数和所述孔压响应函数,通过固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系,计算获得所述目标土体的第二不排水抗剪强度分布函数,其中,所述竖向有效应力根据所述孔压响应函数计算所得,以及所述第二不排水抗剪强度分布函数为所述目标不排水抗剪强度分布函数,通过对黏土海床的目标土体进行原位测试,获得目标土体的初始不排水抗剪强度分布函数,同时,通过预设的竖向荷载,进行孔压响应函数的求解,最后根据固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系,求得目标土体固结后的不排水抗剪强度分布函数。通过模拟条形基础荷载的情况,求得最准确的目标土体的目标不排水抗剪强度分布函数,为后面的步骤奠定了基础。

　　[0013] 作为上述方案的改进,所述根据预设的竖向荷载,通过预设的应力分布计算公式,获得所述目标土体的孔压响应函数,具体为,根据条形基础的自重、上部结构的自重和环境荷载,获得竖向荷载,根据所述竖向荷载,通过预设的应力分布计算公式,计算获得条形均布荷载作用下的目标土体中的孔压响应函数,计算公式为,

　　[0015] 其中,Δuw为孔压响应函数,Vp为竖向荷载,B为基础宽度,土中任意一点的坐标表示为(x,z) ,x为计算点离均布荷载左边缘的水平距离,z为计算点离荷载左边缘的竖向距离,通过应力分布计算公式计算空压响应函数,能够提高目标土体的孔压响应函数的准确率,从而更加贴近真实状态下的黏土海床负荷的情况。

　　[0016] 作为上述方案的改进,所述根据所述第一不排水抗剪强度分布函数和所述孔压响应函数,通过固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系,计算获得所述目标土体的第二不排水抗剪强度分布函数,具体为,根据所述孔压响应函数,计算获得竖向有效应力函数,通过固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系,计算固结黏土层不排水抗剪强度函数,具体公式为,

　　R,具体公式为, 将所述第一不排水抗剪强度分布函数与所述固结黏土层不排水抗

　　剪强度函数进行预设的加权计算,获得目标土体的第二不排水抗剪强度分布函数,通过孔

　　压函数推导出竖向有效应力函数,并根据 的关系进行固结黏土层不排水抗剪强度

　　函数的计算,最后结合第一不排水抗剪强度和固结黏土层不排水抗剪强度函数进行计算,进一步提高了目标不排水抗剪强度分布函数的准确性。

　　[0019] 作为上述方案的改进,所述根据目标不排水抗剪强度分布函数,通过滑移线法进行计算,获得固结后土体的应力特征线方程,具体为,根据所述目标不排水抗剪强度分布函数,获得x方向的正应力方程、z方向的正应力方程和平面内的剪应力方程,根据所述x方向的正应力方程、z方向的正应力方程和平面内的剪应力方程,代入所述滑移线法中预设的平衡方程,求得所述固结后土体的应力特征线方程,其中,所述固结后土体的应力特征线方程包括,α线的应力特征线方程和β线的应力特征线方程,通过滑移线法进行目标不排水抗剪强度分布函数的转化,根据平衡方程,获得固结后土体的应力特征线方程,为目标土体中每一点的计算奠定了基础。

　　[0020] 作为上述方案的改进,所述根据所述应力特征线方程,通过预设的有限差分法进行求解,具体为,根据已知点参数的形式和已知点的固结后土体的不排水抗剪强度,将所述固结后土体的应力特征线方程转化为有限差分方程,其中,所述已知点参数的形式包括,x 坐标、z坐标、特征应力、以及大主应力方向与Z轴的夹角,在每一次第二已知点参数的计算中,将上一次计算所获得的第二已知点参数,加入到第一已知点参数集中,并在更新后的第一已知点参数集中,选取未同时代入方程计算的两个点参数,代入有限差分方程中,进行第二已知点参数的计算,其中,所述第一已知点参数集在迭代开始前,已包含两个已知点参数,比较每次计算获得的第二已知点参数与上一次计算获得的第二已知点参数,当满足预设的条件时,停止迭代,获得第二已知点参数集,当不满足预设的条件时,继续进行迭代,从已知边界处开始,通过有限差分法,根据两个已知点的参数,对应力特征线方程进行迭代求解,以获得目标土体中在滑移线网络上每一点的参数,能够快速地获得目标土体中未知点参数的结果。

　　[0021] 作为上述方案的改进,所述获得预载作用下的条形基础的固结承载力,具体为,根据获得的第二已知点参数集,滑移线网络上每一点的x坐标、每一点的z坐标、每一点的特征应力、以及每一点的大主应力方向与Z轴的夹角,从而获得条形基础的固结承载力,根据获取到的目标土体在滑移线网络上每一点的参数,能够获得条形基础的固结承载力,提高了条形基础的固结承载力的准确性。

　　[0022] 作为上述方案的改进,将有限差分方程离散化,并通过数值程序的形式,进行第二已知点参数的迭代计算,通过数值程序进行计算,能够加快有限差分法的求解速度,提高了计算效率,同时也避免了人工计算所导致的错误。

　　[0023] 作为上述方案的改进,在所述获得预载作用后的条形基础的固结承载力之后,还包括,据所述预载作用后的条形基础的固结承载力,重新调整第一条形基础的设计参数,获得新的竖向荷载,并根据所述新的竖向荷载,进行固结承载力的计算,从而根据重新计算后的固结承载力获得第二条形基础的设计参数,其中,所述第二条形基础的设计参数趋于稳定值,根据获得固结承载力,调整条形基础的设计参数,并重新根据黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法进行固结承载力的计算,提高了参数计算的准确度,使得条形基础的设计参数更加实用。

　　[0024] 相应的,本发明一实施例还提供了一种黏土海床中条形基础的固结承载力预测装置,包括,第一计算模块、第二计算模块和第三计算模块,

　　[0025] 所述第一计算模块,用于对黏土海床中的目标土体进行测试,获取所述目标土体的目标不排水抗剪强度分布函数,其中,所述目标土体具体为,位于条形基础与上部结构下方的土体,以及所述目标不排水抗剪强度分布函数为,根据第一不排水抗剪强度分布函数和孔压响应函数,结合固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系计算获得,

　　[0026] 所述第二计算模块,用于根据所述目标不排水抗剪强度分布函数,通过滑移线法进行计算,获得固结后土体的应力特征线] 所述第三计算模块,用于根据所述应力特征线方程,通过预设的有限差分法进行求解,获得预载作用下的条形基础的固结承载力。

　　[0028] 作为上述方案的改进,所述第一计算模块,包括,测试单元、孔压响应单元和结合运算单元,

　　[0029] 所述测试单元,用于,对黏土海床中的目标土体进行原位测试,获得所述目标土体的第一不排水抗剪强度分布函数,

　　[0030] 所述孔压响应单元,用于,根据预设的竖向荷载,通过预设的应力分布计算公式,获得所述目标土体的孔压响应函数,其中,所述竖向荷载由结构自重和环境荷载所产生,以及所述孔压响应函数包括所有所述目标土体中每个坐标位置对应的孔压响应,

　　[0031] 所述结合运算单元,用于,根据所述第一不排水抗剪强度分布函数和所述孔压响应函数,通过固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系,计算获得所述目标土体的第二不排水抗剪强度分布函数,其中,所述竖向有效应力根据所述孔压响应函数计算所得,以及所述第二不排水抗剪强度分布函数为所述目标不排水抗剪强度分布函数。

　　[0032] 作为上述方案的改进,所述根据预设的竖向荷载,通过预设的应力分布计算公式,获得所述目标土体的孔压响应函数,具体为,根据条形基础的自重、上部结构的自重和环境荷载,获得竖向荷载,根据所述竖向荷载,通过预设的应力分布计算公式,计算获得条形均布荷载作用下的目标土体中的孔压响应函数,计算公式为,

　　[0034] 其中,Δuw为孔压响应函数,Vp为竖向荷载,B为基础宽度,土中任意一点的坐标表示为(x,z) ,x为计算点离均布荷载左边缘的水平距离,z为计算点离荷载左边缘的竖向距离。

　　[0035] 作为上述方案的改进,所述根据所述第一不排水抗剪强度分布函数和所述孔压响

　　应函数,通过固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系,计算获得所述目标土体的第二不排水抗剪强度分布函数,具体为,根据所述孔压响应函数,计算获得竖向有效应力函数,通过固结黏土层的不排水抗剪强度和竖向有效应力的关系,计算固结黏土层不排水抗剪强度函数,具体公式为,

　　R,具体公式为, 将所述第一不排水抗剪强度分布函数与所述固结黏土层不排水抗

　　剪强度函数进行预设的加权计算,获得目标土体的第二不排水抗剪强度分布函数。

　　[0038] 作为上述方案的改进,所述第二计算模块,包括,分解单元和应力特征线] 所述分解单元,用于根据所述目标不排水抗剪强度分布函数,获得x方向的正应力方程、z方向的正应力方程和平面内的剪应力方程,

　　[0040] 所述应力特征线单元,用于根据所述x方向的正应力方程、z方向的正应力方程和平面内的剪应力方程,代入所述滑移线法中预设的平衡方程,求得所述固结后土体的应力特征线方程,其中,所述固结后土体的应力特征线方程包括,α线的应力特征线方程和β线的应力特征线] 作为上述方案的改进,所述根据所述应力特征线方程,通过预设的有限差分法进行求解,具体为,

　　[0042] 根据已知点参数的形式和已知点的固结后土体的不排水抗剪强度,将所述固结后土体的应力特征线方程转化为有限差分方程,其中,所述已知点参数的形式包括,x坐标、z 坐标、特征应力、以及大主应力方向与Z轴的夹角,在每一次第二已知点参数的计算中,将上一次计算所获得的第二已知点参数,加入到第一已知点参数集中,并在更新后的第一已知点参数集中,选取未同时代入方程计算的两个点参数,代入有限差分方程中,进行第二已知点参数的计算,其中,所述第一已知点参数集在迭代开始前,已包含两个已知点参数,比较每次计算获得的第二已知点参数与上一次计算获得的第二已知点参数,当满足预设的条件时,停止迭代,获得第二已知点参数集,当不满足预设的条件时,继续进行迭代。

　　[0043] 作为上述方案的改进,所述获得预载作用下的条形基础的固结承载力,具体为,根据获得的第二已知点参数集,滑移线网络上每一点的x坐标、每一点的z坐标、每一点的特征应力、以及每一点的大主应力方向与Z轴的夹角,从而获得条形基础的固结承载力。

　　[0044] 作为上述方案的改进,将有限差分方程离散化,并通过数值程序的形式,进行第二已知点参数的迭代计算。

　　[0045] 作为上述方案的改进,在所述获得预载作用后的条形基础的固结承载力之后,还包括,据所述预载作用后的条形基础的固结承载力,重新调整第一条形基础的设计参数,获得新的竖向荷载,并根据所述新的竖向荷载,进行固结承载力的计算,从而根据重新计算后

　　的固结承载力获得第二条形基础的设计参数,其中,所述第二条形基础的设计参数趋于稳定值。

　　[0046] 相应的,本发明一实施例还提供了一种计算机终端设备,包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明所述的一种黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法。

　　[0047] 相应的,本发明一实施例还提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序,其中,在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如本发明所述的一种黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法。

　　[0048] 图1是本发明一实施例提供的黏土海床中条形基础的固结承载力预测方法的流程示意图,

　　[0049] 图2是本发明一实施例提供的黏土海床中条形基础的固结承载力预测装置的结构示意图,

　　[0052] 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作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。