Deep-penetrating spudcan foundations on layered clays: numerical analysis

M. S. HOSSAIN; M. F. RANDOLPH

摘要

La présente communication présente les résultats d'analyses de larges déformations en éléments finis (LDEF) examinant la réaction à la pénétration de fondations à forte pénétration dans des sols stratifiés, comportant une couche d'argile résistante recouvrant une couche d'argile plus faible. Ces profils de résistance donnent lieu à un risque de rupture à ? punch-through ?, dans le cadre de laquelle une résistance maximale locale à la pénétration est suivie d'une certaine réduction. La présente communication doit être lue conjointement avec celle qui présente les résultats de tests effectués sur maquettes centrifuges relativement au même problème, dans le but général d'examiner le potentiel de rupture par ?punch-through ?, et sa sévérité, comme élément de base pour l'optimisation de méthodes d'essai permettant d'évaluer la pénétration des caissons d'enfichage. Dans le cadre des analyses LDEF, on a simulé la pénétration continue de fondations lisses et brutes des caissons d'enfichage depuis la surface du fond marin. On a effectué une étude paramétrique détaillée explorant la plage pertinente de l'épaisseur des couches (relativement au diamètre des caissons d'enfichage), les ratios de résistance, et la rugosité de la base des caissons d'enfichage. Les résultats ont été validés conformément à des résultats publiés précédemment, et les données découlant des essais centrifuges sont fournies dans la communication parallèle. On relève un accord parfait entre les résultats des analyses de LDEF et les tests centrifuges. Au fur et à mesure de la diminution du ratio de la résistance au cisaillement de la couche inférieure par rapport à la couche supérieure, la solifluxion vers le haut autour de l'épaulement des caissons d'enfichage se fait moins prononcée, et le mécanisme de rupture est dominé par un bouchon de sol de la couche supérieure, aux c?tés escarpés, s'enfon?ant en profondeur dans la couche inférieure. Le potentiel d'un ?punch-through? prononcé est démontré parla réduction significative du profil de résistance au fur et à mesure que le caisson d'enfichage s'approche de l'interface entre les deux couches. Un tableau conceptuel préliminaire est proposé afin d'estimer la profondeur de la cavité au-dessus du caisson d'enfichage pénétrant, qui était fort supérieure à celle d'une couche d'argile unique. Les réactions à la pénétration sont présentées sous forme de pression d'appui nette normalisée pour une série de géométries des couches et de propriétés du sol. Le ?punch-through? potentiel se réalise chaque fois que Je ratio des résistances est inférieur ou égal à 0,6, la réduction de la résistance augmentant plus le ratio de résistance de la couche sous-jacente à la couche supérieure est bas, et plus la couche supérieure est épaisse, mais baissant au fur et à mesure de l'augmentation du gradient de la résistance dans la couche inférieure. On démontre que la méthode actuelle, proposée dans les principes directeurs des études offshore, sous-estime de fa?on significative, dans la plupart des cas, la résistance à la pénétration, et fournit des estimations médiocres de la probabilité des ? punch-through ? des caissons d'enfichage, et de leur sévérité.%This paper presents results of large deformation finite element (LDFE) analyses that investigate the penetration response of deep-penetrating spudcan foundations in stratified soil comprising a strong clay layer overlying weaker clay. Such strength profiles give rise to potential punch-through failure, with a local maximum penetration resistance followed by some reduction. The paper is a companion paper to one that presents results from centrifuge model tests of the same problem, with the overall aim being to investigate the potential for punch-through failure and its severity, as a basis for improving design methods for evaluating spudcan penetration. The LDFE analyses have simulated continuous penetration of smooth and rough spudcan foundations from the sea-bed surface. A detailed parametric study has been undertaken, exploring the relevant range of layer thickness (relative to the spudcan diameter), strength ratios and spudcan base roughness. The results have been validated against previously published results and the centrifuge test data presented in a companion paper. Excellent agreement was obtained between the results from LDFE analyses and centrifuge tests. As the ratio of the shear strength of the bottom layer to that of the top layer decreased, upwards soil flow around the spudcan shoulder became less pronounced and the failure mechanism was dominated by a steep-sided plug of soil from the top layer being forced deep into the lower layer. The potential for severe punch-through was demonstrated by a significant reduction in the resistance profile as the spudcan approached the interface between the two layers. A preliminary design chart is proposed to estimate the cavity depth above the penetrating spudcan, which was significantly greater than that for a single layer clay. The penetration responses have been presented in terms of profiles of normalised net bearing pressure for a range of layer geometries and soil properties. Potential punch-through occurred for all cases where the strength ratio was less than or equal to 0-6, with the reduction in resistance being greater the lower the strength ratio of the underlying layer to the upper layer, and the thicker the upper layer, but reducing as the strength gradient in the lower layer increased. The current approach suggested in offshore design guidelines is shown to underestimate the penetration resistance significantly, in most cases, and give poor estimates of the likelihood and severity of spudcan punch-through.

机译：本文介绍了有限元大变形（LDEF）的分析结果，这些结果检查了对叠层土壤中具有高渗透性的地基渗透的反应，该层包括一层覆盖较弱粘土的抗性粘土。这些阻力曲线会导致破裂的危险。打孔？，其中最大的局部抗穿透性随后会有所降低。必须将这种交流方式与呈现在离心模型上针对同一问题进行测试的结果相结合，以将“穿通”破裂的可能性及其严重性作为基本要素进行检查。用于优化评估插入式盒渗透性的测试方法。作为LDEF分析的一部分，我们模拟了从海底表面连续渗入光滑而原始的填塞箱基础的过程。进行了详细的参数研究，以探索相关的层厚度范围（相对于插头盒的直径），强度比和插头盒底座的粗糙度。根据先前发布的结果对结果进行了验证，并通过并行提交提供了离心测试的数据。 LDEF分析的结果与离心测试完全吻合。当下层与上层的剪切强度之比降低时，围绕插入盒的肩部向上的溶融变得不那么明显，并且机理破裂是由上层土壤塞控制的，其侧面陡峭，深陷于下层。突破的潜力？当插入盒接近两层之间的界面时，电阻曲线的显着降低证明了这一点。提出了一个初步的概念表来估计穿透塞箱上方的空腔深度，该深度远大于单层粘土的深度。渗透反应表示为一系列层几何结构和土壤特性的归一化净压力。穿通？每次电阻比小于或等于0.6时都会实现电势，电阻的减小会增加底层与上层的电阻比，并且上层越厚，但随着下层电阻梯度的增加而降低。结果表明，在海上研究的指导原则中提出的当前方法，在大多数情况下大大低估了抗穿透能力，并且提供了降低概率的估计。打通？本文介绍了大变形有限元（LDFE）分析的结果，该分析研究了深层渗透的桩基础在包含强粘土层覆盖弱粘土的分层土壤中的渗透响应。这种强度分布会导致潜在的击穿失败，局部最大的穿透阻力会随之降低。本文是对同一问题进行离心模型测试的结果的另一篇论文，其总体目的是研究穿孔失败的可能性及其严重性，以此作为改进评估桩头穿透能力的设计方法的基础。 LDFE分析模拟了光滑和粗糙的桩基础从海床表面的连续渗透。已经进行了详细的参数研究，探索了层厚度（相对于桩头直径），强度比和桩头基础粗糙度的相关范围。该结果已针对先前发表的结果和随附论文中的离心测试数据进行了验证。 LDFE分析的结果与离心测试之间获得了极好的一致性。随着底层的抗剪强度与顶层的抗剪强度之比的降低，围绕桩墩肩的向上的土壤流动变得不那么明显，并且破坏机理主要是由顶面被迫深入的陡峭侧面的土壤堵塞所主导。进入下层。当桩钉接近两层之间的界面时，电阻分布的显着降低证明了严重击穿的可能性。提出了初步设计图，以估算穿透的桩脚上方的型腔深度，这明显比单层粘土大。渗透响应已根据一系列层的几何形状和土壤特性的归一化净承载压力曲线进行了介绍。在强度比小于或等于0-6的所有情况下都可能发生击穿，电阻的降低越大，则下层与上层的强度比越低，上层越厚，但随着下层强度梯度的增加而降低。在大多数情况下，近海设计指南中建议的当前方法显示出显着低估了穿透阻力，而对钉桩穿通的可能性和严重性的估算却很差。

Deep-penetrating spudcan foundations on layered clays: numerical analysis

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