一种用于粘性土中基础复合失效包线的直接有限元加载方法

《Ocean Engineering》：A direct FEA loading approach for combined failure envelope of foundations in cohesive soil

直接位移滑动法结合有限元分析优化了基础多维复合荷载下的破坏包络线构建效率，有效解决了传统方法在计算成本与精度平衡中的难题。

　　

吴思达|尹振宇|彭茂柱

香港理工大学土木与环境工程系，中国香港九龙红磡

摘要

基础结构，尤其是海上基础，会受到多方向复合载荷的作用，因此准确的失效包络对于岩土工程设计至关重要。传统的构建这些失效包络的方法面临诸多挑战。本研究提出了一种直接位移滑动（DDS）方法，该方法通过间接引导位移-空间轨迹使其符合预定的载荷-空间轨迹，并在有限元分析（FEA）框架内实现，以提高准确性和计算效率。与传统滑动方法不同，该方法使用桁架元素来模拟绳索，一端连接到基础，另一端用于施加载荷，从而确保位移和载荷的方向一致。通过对各种类型的基础结构（包括圆形表面基础、吸力沉箱、三脚架桶式基础和复合桩桶式基础）进行验证，这些基础结构涵盖了从浅基础到深基础的多种类型，并且在不同粘性土壤条件下均表现出良好的鲁棒性。对比分析表明，DDS方法在保持与传统方法相同准确性的同时，显著降低了计算成本。此外，该方法能够有效捕捉对称和非对称的失效包络，而传统方法在这方面往往存在不足。因此，DDS方法成为岩土工程设计中一种实用、高效且可靠的替代方案。

引言

海上基础通常会受到多方向复合载荷的作用。其承载能力形成一个维的超曲面（n表示载荷的数量），这通常被称为失效包络（Suryasentana等人，2020年）。通常，n=3，代表垂直载荷（V）、水平载荷（H）和弯矩载荷（M）（Achmus等人，2013年；Li等人，2012年；Thieken等人，2014年；Xia等人，2022年）。数值模拟已被广泛用于确定各种基础的失效包络（Cheng等人，2023年、2024年；Hakhamaneshi和Kutter，2016年；Jin等人，2025年；Li等人，2025年；Manoharan和Dasgupta，1995年；Wang等人，2006年；Wu等人，2025年），主要采用两种加载策略：探针法（Peng和Yin，2024年）和滑动法（Tian等人，2019年）。探针法的概念是通过单独的模拟生成一系列位于失效包络上的载荷，然后通过数据拟合过程使用预定方程来近似失效包络（Peng等人，2025年）。相比之下，滑动法通过连续改变施加的外部载荷，在一次模拟中更有效地建立连续的失效包络曲线，因此比探针法更高效，因为所需的模拟次数更少。然而，这种方法仅适用于裙边长度较短的基础结构（例如表面基础）中的VH和VM组合失效情况。对于HM组合失效，该方法的准确性较差（Fu等人，2018年；Gourvenec和Randolph，2003年）。为了解决传统滑动方法的局限性，Suryasentana等人（2020年）提出了顺序滑动法，将位移增量分解为多个步骤。然而，每个阶段的离散位移需要预先确定，这增加了有限元分析（FEA）设置的复杂性。随后，Fan等人（2023年）引入了简化的改进滑动法以简化这一过程。尽管进行了简化，但仍需仔细调整载荷幅度以防止网格过度变形或不准确。

此外，滑动测试存在固有的局限性，例如在整个滑动过程中施加的载荷需要足够大以达到弹性卸载（Tan，1990年），并且施加的外部载荷应平滑变化（Fan等人，2023年），以便准确捕捉失效包络。

本研究介绍了一种直接的FEA加载方法，用于构建基础的复合失效包络。该方法确保了施加载荷的平滑变化，并通过仅需要定义一个参数来简化程序。使用各种类型的基础结构（包括圆形表面基础、吸力沉箱、三脚架桶式基础和复合桩桶式基础）验证了该方法的有效性和鲁棒性，这些基础结构涵盖了从浅基础到深基础的多种类型。此外，还详细分析了土壤参数的敏感性，如弹性模量和不排水土壤强度剖面。

章节片段

现有方法和提出的方法

图1展示了这些加载方法在位移空间和载荷空间中的轨迹细节。需要注意的是，图中不同加载方法的载荷幅度经过缩放以便于清晰显示，并不代表实际载荷幅度。

数值模型

载荷探针方法由FELA软件OptumG3执行。Optum独特的极限分析类型提供了一种高效便捷的方法来确定基础的承载能力。其余的数值模拟则由三维FEA软件ABAQUS（Systèmes，2007年）完成。

对称基础的比较

以沉箱基础在VH空间中的失效包络为例，如图6所示，弹性模量对SS、SMS和DDS方法有显著影响。对于不排水条件下的粘性土壤，基础的载荷-位移曲线类似于完全塑性模型的应力-应变曲线（如图7所示）。然而，载荷-位移曲线的第二段的斜率不为零，但值非常小，即单轴

结论

本研究提出了一种直接位移滑动（DDS）方法，利用有限元分析高效准确地确定粘性土壤中基础的复合失效包络。该方法与现有的探针法、位移探针法和简化改进滑动法（SMS）在不同基础类型、土壤特性和加载条件下进行了对比测试。本研究的主要结论总结如下：

(1)

DDS方法提供了

作者贡献声明

吴思达：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、概念化。尹振宇：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、项目管理、方法论、资金筹措、概念化。彭茂柱：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、概念化。

数据可用性声明

研究中生成或使用的所有数据均可向相应作者索取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国香港特别行政区政府（HKSARG）研究资助委员会（RGC）的财政支持（资助编号：15232224）。