波浪作用下粉土中的孔压响应及其在粉土海床稳定性评价中的应用

粉土在波浪等动荷载作用下极易发生液化破坏,而孔隙水压力在粉土动力学行为中扮演了一个很重要的角色,其发展变化会直接影响到土体的稳定性。因此,通过室内波浪作用下的粉土孔压响应模型试验探讨了孔压与波浪之间的响应情况,发现波浪能量的影响沿土层深度递减,水深条件相同时,响应的孔压随波高的增大而增加,当波浪作用足够长时间后粉土发生液化破坏,此时粉土内累积的孔压小于上覆土体的自重应力。根据结果提出了1种评价粉土海床稳定性的方法。     

循环荷载下粉土液化流动特性拖球试验研究

基于流体力学中的Stokes黏滞阻力理论,以振动台试验为基础,开发了一套测量液化过程中粉土流变特性的拖球试验装置。在铺有粉土海床的模型箱内埋设光滑小球,通过测量小球水平运动过程中所受阻力值的大小,计算粉土液化的表观动力黏度,分析粉土液化过程中的表观动力黏度与超孔压比之间的关系,以及液化后表观黏度与应变率的变化规律。试验结果表明,振动台试验下,孔隙压力表现为迅速上升,粉土迅速达到液化状态;振动过程对海床固结影响较大;粉土海床在未达到完全液化状态时（ru<1）,表观黏度随超孔压比增大而减小,在液化状态下（ru=1）,剪应力随应变率增大而减小,粉土呈现出剪切稀化的特点,为典型的非牛顿流体特征。     

循环荷载作用下粉土的动力学特征

选用近海分布广泛的粉土为研究对象,利用动三轴压缩试验结果得到了动荷载作用下粉土的应力-应变关系、孔压发展模式及动强度与临界循环次数之间的关系;探讨固结围压和固结比对粉土动力学性质的影响。动力学试验结果表明,动剪切模量随着固结围压的增大而增大,动阻尼比随动剪应变幅的变化关系受围压影响不大;不同围压对动剪应力的比值影响很小,同一围压下随着固结比的增大,动剪应力比也会随之增大;不同围压及不同固结比对以Nf表示的峰值孔隙水压力发展模式影响很小。     

海底管线区浅表层土孔压静力触探参数特征及应用

利用东海陆架海底输油管道路由调查获得的孔压静力触探数据和钻探资料等,采用统计分析的方法,对管道路由区5 m以浅土体的孔压静力触探曲线特征、土的分类方法鉴别作了探讨,结果表明:研究区5 m以浅黏性土的锥尖阻力(qc),侧摩阻力(fs)值较小,且随深度呈线性增加,粉质土的qc,fs值增大,但随深度线性增加规律不明显,砂类土的qc值急剧增大,但fs值变化不大;Robertson法和Eslami-Fellenius法两种土类划分方法均适用于研究区浅表层软土的土类划分,但Robertson法在判别粉质土时受到一定限制,Eslami-Fellenius法判别较为准确,应用简单。本研究可为我国在海底管线工程路由勘察中直接利用孔压静力触探(CPTU)参数划分土层和判别土类作铺垫。     

北部湾地区海砂填料的动力特性分析

为研究北部湾地区海砂填料的动力特性，采用高级动态三轴测试系统开展循环荷载下的动三轴试验，研究不同围压及不同动应力幅值对海砂动力特性的影响规律。试验结果表明：轴向累计应变随围压增加而减小，围压150 kPa时振次10 000后应变仅为3%；随着动应力幅值的增大轴向累积应变随之增大，且达到破坏标准的时间越短。动弹性模量随着动应力幅值和围压的增加而增大，不同围压下动弹性模量随动应变的增加出现先骤减再略减后稳定的发展趋势，ε_d>0.3%后开始趋于稳定；不同动应力幅值下动弹性模量出现先增后减直至稳定的趋势，其中动应力幅值对动弹性模量有明显的影响，围压影响相对较小。孔压比随动应力幅值增加而减小，随围压增加而增加。     

波浪作用下粉土海床中的孔压响应试验研究

海床在波浪作用下是否稳定对海底工程的安全至关重要,海床的稳定性与土体中的孔压响应密切相关。水槽模拟试验表明:在波浪的作用下,黄河三角洲粉土海床中将产生振荡孔隙水压力和累积孔隙水压力。振荡孔隙水压力大小与土层深度、波高和粘粒含量有关,其振幅(能量)在土层中随深度的增加呈指数衰减,且粘粒含量越高衰减越快;加载波高越大,能量衰减越快。而累积孔压响应模式表现为在波浪作用最初的一段时间内,孔隙水压力快速上升,然后逐渐减小而趋于稳定,其大小和速率也与波高、粘粒含量、土层埋深有关,粘粒含量越高,孔压累积速度越低。     

不同粘粒含量粉质土的动力强度特性研究

通过室内实验研究了黄河三角洲地区粘粒质量分数为3%～15%的饱和粉土动力强度特性.使用动三轴施加轴向动力,测得试样在动荷载作用下达到破坏时所需的振动次数及破坏过程中孔隙水压力的变化情况.试验结果显示每一组试样在不同循环应力作用下饱和粉土的破坏振次随剪应力比的增加而减小.通过对比分析不同粘粒含量粉土动强度特征曲线,得出粉土动强度对粘粒含量有很大的依赖性,在一定粘粒含量范围内,粉土动强度随粘粒含量增加先减小后增大.     

波浪作用下黄河口粉土液化与振荡层形成试验研究

通过室内水槽试验,观察波浪作用下土体产生的现象,分析了土体内孔隙水压力的变化及波浪作用后土体粒度组成变化特征,研究了波浪荷载作用下黄河口粉土液化和"振荡层"的形成过程。试验及讨论结果表明:在波浪作用下,上层粉土体大部分时间处于液化状态;由液化土形成的振荡土层与下部土层之间形成"W"形的滑动面,振荡土层的厚度随着波浪作用时间的增加而变小;在波浪的振动和孔隙流体的共同作用下,土颗粒重新排列,细粒物质向上迁移,土体底部土颗粒粒径较为粗大,振荡层范围内土颗粒粒径组成相似,粒径分布范围较小;其内部孔压比随深度和波浪作用次数的增加而较少,土体内部积累的超孔压逐渐消散,海床土体逐渐趋于稳定。     

饱和粉土在低围压下剪切特性的试验研究

通过室内静三轴试验,对黄河水下三角洲埕岛海域沉积物———粉土的剪切特性进行了研究。比较了粉土在低围压和高围压下的剪切变形特性和强度特性。试验结果表明,粉土在低围压(10,20,30,40 kPa)下的应力应变曲线和高围压下的应力应变曲线总体趋势基本一致,但在不同围压下其抗剪强度存在差别。     

质量比对柔性立管涡激振动影响实验研究

质量比是影响海洋立管涡激振动的一个重要因素.通过在室内物理实验中使立管模型内部分别充填空气、水和沙来改变立管的质量比,从而研究质量比对柔性细长立管涡激振动的影响.实验结果表明:在相同流速下,质量比大的立管模型所激起的模态更高.在低约化速度区域,空管和水管的涡激振动响应频率与涡脱落频率相同,沙管的响应频率则与自振频率更接近,三种质量比立管的响应位移较接近;在高约化速度区域,三种质量比的立管模型的响应频率处于自振频率和涡脱落频率之间,但空管的响应频率随约化速度的增大而不断增大,同一流速下,质量比大的立管模型响应位移小,其中空管的涡激振动响应一直处于大振幅的锁定状态下.共振区域对应约化速度的范围随着质量比增大而减小.     

波浪作用下液化粉土流动特性拖球试验研究

粉质土大量存在于黄河水下三角洲地区,粉土液化过程中具有类似流体的性质,可以把液化过程中的粉土视为黏性流体进行研究。基于流体力学中Stokes黏滞阻力原理,在波浪水槽试验基础上,设计了一套测量液化过程中粉土流变特性的拖球装置,并对其实用性进行验证。在铺设有粉土底床的波浪水槽中埋入可以水平滑动的小球,通过拖动小球在粉土中水平运动,测量小球所受阻力值的大小,用以计算液化粉土表观动力黏度。充分考虑试验中波浪要素、超孔压比等因素的影响。结果表明,该装置能够满足试验要求;波浪循环荷载作用下,观察到了孔压的累积至液化的过程;波浪参数对结果有较大影响,其中波高越大,表观黏度值越小;同一波高情况下,表观黏度随时间缓慢增加;随着超孔压比的升高,波浪作用下粉土表观黏度值逐渐减小。     

高海水围压下多金属硫化物切削动力学分析

为研究高海水围压条件下截齿切削多金属硫化物(SMS)的动力学特性,根据深海环境构建了镐形单截齿破碎多金属硫化物的切削力数学模型,同时考虑海底多金属硫化物高孔隙、非线性等特点,选取合适的材料本构模型及其相关参数,基于LS-DYNA数值模拟平台,利用有限单元法建立高海水围压条件下截齿切削多金属硫化物的数值仿真模型,模拟了不同海水围压条件下多金属硫化物的切削破碎过程。研究结果表明:截齿上的海水围压对矿体破碎的影响很小,矿体上的海水围压对矿体破碎影响较大;在高海水围压条件下,多金属硫化物的强度明显增大,切屑更难从基岩剥离,截齿受到的三向阻力明显增大,高围压作用限制了截齿切削破碎过程中的振动,截齿载荷波动性显著减小。     

疲劳模型评价海底粉土不稳定性的应用

该文探讨疲劳模型在评价海底粉土不稳定性中的应用。研究表明以超孔压为疲劳参数 ,以 Ψ 作为孔压产生率的疲劳模型可用于预测海底粉土中超孔压的产生和累积。基于已有的疲劳模型 ,借鉴以孔压作为疲劳参数 ,运用包含有周期循环数的公式来预测超孔压的累积的思路 ,将粉土的动三轴孔压累积曲线用一条渐进线来代表 ,从而用一种新的且较简单的疲劳模型可预测超孔压的均值。     

深海能源土含气储层力学特性三轴试验研究

为研究深海能源土在负压开采过程中含气储层的力学特性,基于含气土赋存理论,提出一种能够控制含气量及气泡大小的制样方法,通过GDS标准应力路径三轴试验系统,开展深海能源土含气储层的固结排水试验研究,分析深海能源土在不同黏土含量及不同含气量下的力学响应规律。研究结果表明：围压变化对深海能源土含气储层的抗剪强度峰值大小影响显著,围压越大抗剪强度峰值越高;黏土含量是决定应力应变曲线变化趋势的关键影响因素,黏土含量越高试样抗剪强度越低,试样抵抗应变软化效应的能力越强;含气土比饱和土体承载能力更低,且承载能力随含气量的增大呈衰减趋势;黏土含量和含气量是深海能源土含气储层抗剪强度指标的重要影响因素,黏土含量、含气量越高,土体自身的总抗剪强度值越低。     

不同粘粒含量粉质土动孔压发展模式试验研究

以黄河三角洲粉质土为研究对象,采用动三轴试验方法,探讨不同粘粒含量对粉质土孔压发展变化的影响,给出不同粘粒质量分数的粉质土动孔压的发展模式,并对动孔压发展模式表达式中的系数进行讨论。结果表明,动孔压发展模式公式中b值代表了粘粒质量分数对土体孔隙水压力发展的影响,9％为不同粘粒质量分数土体孔隙水压力发展的拐点,拐点前后孔隙水压力的发展模式不同。     

波流作用下黄河三角洲多层粉质土孔压累积及液化分析

在波浪和海流作用下,多层粉质土海床可能会发生液化破坏,进而影响工程构筑物的安全。以黄河三角洲为背景,选取垦东地区三种典型粉质土海床,基于Terzaghi固结方程和Biot渗流理论,验证了波流作用下多层土海床累积孔压响应模型,探讨了三种不同典型海床累积孔压与液化特征的差异,以及波流参数对海床动力响应的影响。结果表明,上覆硬壳层的海床累积孔压竖向分布出现了两个峰值,并且液化深度可达7.8 m,流速、波高和水深对累积孔压影响显著,而周期影响相对较小。此外,当波浪传播方向顺流时,随着流速的增大,上层土体累积孔压逐渐增大,降低了海床的稳定性。     

北部湾地区不同相对密度的海砂力学特性分析

为探究相对密度和有效围压对饱和海砂力学特性的影响,利用GDS动态三轴试验仪,对广西北部湾地区海砂开展了一系列固结排水三轴剪切试验,分析了相对密度、有效围压对饱和海砂强度特征、体变特征、割线模量以及摩擦角的影响规律。结果表明：随着围压的减小或相对密度的增大,试样体积应变不断增大,而相对密度或有效围压的增加均会提高试样的峰值强度,有效围压与峰值强度之间呈现良好的线性增长关系。随着围压的减小或相对密度的增大,应力相对软化系数、剪胀系数均不断增大,且有效围压与应力相对软化系数、剪胀系数分别呈线性和半对数线性相关。割线模量随轴向应变的增加整体呈衰减趋势,各试验工况下轴向应变为5%时试样的割线模量相比于轴向应变0.164%衰减了80%~90%。饱和海砂的峰值摩擦角随相对密度的增加而增大,随有效围压的增大而减小,相对密度D_r为50%时有效围压σ_c为50 kPa对应的峰值摩擦角是σ_c为200 kPa的1.098倍。     

波浪作用下斜坡上单桩周围海床孔隙水压力响应特性试验研究

单桩基础周围斜坡海床中的波致孔隙水压力响应与纯斜坡海床存在较大差异。为了解不同波高、波周期条件下,单桩基础周围波浪传播变形及其对斜坡海床孔压振荡响应的影响,在波浪水槽末端铺设了长6 m、坡度1∶16的斜坡砂床进行试验。通过改变桩身位置和波浪参数,测量斜坡段各处波面形态,采集单桩周围孔隙水压力,分析了桩身位置及波浪参数对斜坡海床孔压响应的影响。结果表明：相同入射波条件下,随距坡脚水平距离增加,波高、近底流速和桩周孔隙水压力幅值都随之增大;桩周孔隙水压力幅值分布规律为：桩前孔压幅值明显大于桩侧与桩后孔压幅值。当Keulegan-Carpenter数大于6时,随着波高和波周期增大,马蹄涡产生的负压区使得桩侧海床孔隙水压力与纯斜坡海床孔隙水压力差值迅速增加。     

黏性土底床中桩基底部吸力试验研究

海洋工程结构物桩基/基础在水下黏性土底床中上拔时,其底部会产生负压,由于负压产生的吸力可一定程度上影响桩基的抗拔力,而对于该力的变化特性目前尚不明确。因此,开展对海工结构物桩基在黏性土底床中上拔时底部吸力的研究具有十分重要的现实意义。通过物理试验,测量了模型桩在黏性土底床垂直上拔过程中底部腔体形态、压力以及拉力的变化情况,分析了上拔速度和埋深比对桩体底部压力的影响。研究结果表明:在黏性土底床中,桩基底部负压吸力对抗拔力有一定影响;桩基上拔时,底部会产生孔隙水腔体,在负压作用下,腔体不断被周围土体回填,使腔体大小保持相对稳定;相同埋深条件下,桩基底部负压随上拔速度增加而增大,但当上拔速度增大到一定值后,其影响不再明显;相同上拔速度情况下,桩基所受负压随埋深的增加而增大。最后提出了计算桩基垂向上拔时底部最大吸力的经验公式,并对公式进行验证。     

黄河三角洲潮滩孔压对循环振动荷载响应研究

为了研究黄河三角洲潮滩孔压对循环振动荷载的响应过程,在现场潮滩上利用循环振动荷载作用于海床,实时监测了振动过程中孔压的发展过程。研究结果表明:在每一轮振动过程中,超孔压并非是一直升高的,其发展过程主要可以分成3个阶段:首先是累积阶段,在此期间内超孔压迅速积累并达到一峰值,即"超孔压最大响应值";其次是过渡阶段,在此期间超孔压基本保持稳定;而后是消散阶段,即超孔压从最大响应值开始缓慢消散。在振动过程中,产生的最大超孔压是振动能量的指数函数,而且不同深度所产生的最大超孔压不同,存在一极值响应深度。在超孔压累积阶段,尽管不同深度超孔压的累积历程不同,但其累积形式具有一致性,即超孔压是以振动次数为自变量的二次函数,而且,超孔压的累积速率是线性降低的。