非完全粗糙平板锚旋转安装过程中的丢失埋深研究

吸力贯入平板锚被用于系泊深海浮式结构,实际应用中必须预估平板锚旋转安装过程中的丢失埋深。采用大变形有限元方法探索非完全粗糙平板锚在正常固结黏土中的旋转过程。大变形有限元法通过网格重剖避免平板锚大幅值平动和转动引起的土体单元扭曲。根据平板锚旋转到达的埋深,实时更新“锚-土”界面上的摩擦剪切强度。将数值模拟结果与离心机模型试验进行对比验证,表明高岭土中平板锚表面的粗糙系数约为0.3。平板锚丢失埋深随粗糙系数的减小而增大,但粗糙系数对丢失埋深的影响受平板锚厚度比和拉力偏心比的耦合作用。厚度比和偏心比越小,粗糙系数对丢失埋深的影响越显著。     

偏心系数和锚腚角对固定锚腚拖曳锚运动的影响

为观测和分析安装中拖曳锚在土中的运动特性,自制了由玻璃水槽、拖曳系统和拉力传感器组成的板锚拖曳试验装置。将硅凝胶与水混合制备成了透明土,依据有效重度强度比确定模型锚材料,按照1:50缩尺比例,在自制板锚拖曳试验装置上开展固定锚腚拖曳锚拖曳试验,研究了偏心系数和锚腚角对固定锚腚拖曳锚运动特性的影响规律。结果表明：该试验装置可以直接观测拖曳板锚嵌入土中运动的全过程;锚眼法向偏心距和切向偏心距不是独立参数,偏心系数能综合描述锚眼偏心对板锚在土中运动的影响;锚腚角是影响板锚在土中运动的重要参数,随着锚腚角增加,板锚最终嵌土深度先增加后减小;随着锚眼偏心系数增加,板锚最终嵌土深度先增加后减小;固定锚腚拖曳锚在土中的运动轨迹近似服从负指数函数曲线。     

深水注浆锚设计原理及其承载特性试验研究

海洋能源开发不断向深海迈进,大型深水海上平台对锚泊结构的承载力提出了更高的要求。针对传统鱼雷锚承载比不足的问题,提出了一种新型深水注浆锚。锚体带动连接其尾部的注浆管贯入海床,然后在外部注浆设备驱动下向海床注浆,浆液挤压土体并在锚体周围形成注浆固结块,从而大幅增加锚体抗拔力。采用自主设计的海洋锚注浆和拉拔试验系统进行了模型试验,研究了不同注浆量对浆液扩散特性以及锚体承载特性的影响规律。结果表明：浆液可以较好地包裹锚体,浆块呈倒锥形与锚体紧密黏结为一体,共同承受上部荷载,浆块承载比可达 24.6,远高于传统鱼雷锚的 2.4～4.1,从而验证了深水注浆锚的可行性。随注浆量的增加,浆块端部截面积和整体高度增加,注浆锚整体承载力也不断增大。     

黏性土中静力沉桩过程桩土界面土压力模型试验

为探讨静压桩贯入过程中桩土界面土压力的变化特性,开展了室内饱和黏性土中静压桩沉桩模型试验。采用双壁模型管桩分离内外摩阻力,在桩身安装微型土压力传感器,监测桩-土界面土压力,分析了沉桩过程中压桩力与桩端阻力的变化规律,探讨了静压桩沉桩过程中桩土界面土压力的分布特征,明确了桩土界面土压力在沉桩过程中存在明显的退化效应,揭示了饱和黏性土中静压桩沉桩过程桩土界面土压力的变化机理。试验结果表明：压桩力随贯入深度的增加近似呈线性增长,在贯入后期闭口桩的压桩力明显大于开口桩的压桩力;桩端阻力基本呈现出线性增长,在沉桩过程中桩端阻力占压桩力的比例较大,占比为62.3%;在静压桩贯入初期,桩土界面土压力的增长速度较低,随着静压桩的逐渐贯入,桩土界面土压力呈现出线性增长且增长速率较快;在同一深度处,随着静压桩的逐渐贯入桩土界面土压力出现明显的土压力退化现象,在深度20、30、40、50、60、70 cm处,土压力依次平均退化14.6%、13.8%、13.2%、9.2%、7.2%、6.1%。     

新型深水系泊基础研究进展

介绍了几种国际上广泛应用于深水锚泊的新型系泊基础（吸力锚、法向承力锚、吸力式贯入锚和动力贯入锚）,并结合国内外的最新研究进展,分别针对吸力锚安装过程中的海床阻力和内部土塞发展、服役阶段的承载力特性,法向承力锚安装时的拖曳轨迹和三维受力状态下的承载力,吸力式贯入锚的“keying”过程,动力贯入锚的最终安装深度和承载力,以及锚泊线与海床的接触问题等当前国际上研究的重点和热点内容进行了简要地评述,旨在通过分析当前新型深水锚在设计、施工以及承载机制等方面的不足,以探索深水系泊基础发展的新趋势     

开口管桩高频振动贯入过程的ALE有限元分析

任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法吸取了拉格朗日和欧拉法的优点,避免了常规有限元中拉格朗日方法的网格畸变问题,适用于开口管桩高频振动贯入过程的计算分析。采用ALE有限元方法,建立开口管桩高频振动贯入过程的数值模型,对沉桩过程中挤土效应、桩侧阻力和土塞效应的变化规律进行了详细研究。研究结果表明:挤土应力主要沿径向传播,且深层土体受到的挤土应力比浅层土体大;水平挤土位移随管桩贯入深度的增加而增大,而最大水平挤土位移与管桩贯入深度存在累积效应;挤土效应的影响范围约为10倍管径,因此在施工过程中要给以足够重视;桩外侧摩阻力随贯入深度增加呈近似线性增长,桩内侧摩阻力随贯入深度增加而呈非线性增长,增长速率随贯入深度增加而逐渐增大;管内土塞处于不完全闭塞状态,土塞程度由完全非闭塞向部分闭塞过渡。此外,研究了土体模量、桩土界面摩擦系数、振动频率和桩径对土体位移的影响。     

黏土中静压管桩土塞机制研究

针对黏土中管桩土塞形成机制,利用耦合欧拉拉格朗日（CEL）法模拟钢管桩的大变形沉贯过程。在验证网格密度参数对数值计算精度影响的基础上,结合管桩内外土体速度场、应力场、土塞高度和增量充填比的变化分析了土塞演变和土塞形成机制,讨论了摩擦系数以及软硬土夹层对土塞形成的影响,并与离心机试验和理论计算数据验证。结果表明,管桩贯入过程土塞的演变可分为上涌期、过渡期和下滑期3个阶段。随着桩的贯入,桩端下轴线处形成连续的下凹塑性拱,当此处竖向应力增量达到7～8倍不排水抗剪强度时土塞初步形成。同时土塞效应随着桩-土间摩擦系数增大,桩径减小（壁厚相同）而增强;软硬夹层对土塞效应影响显著,上硬下软的土层易形成完全土塞,而上软下硬的土层,硬土挤入管桩不会形成土塞。     

粉土中筒型基础贯入阻力的研究

筒型基础在海洋工程中应用广泛,贯入阻力的准确计算是筒型基础成功应用的关键。在海洋工程中,粉土是介于砂土与黏土间的特殊土,现有计算方法中将粉土等同于砂土,忽略了黏聚力c对贯入阻力的影响。开展了粉土中筒型基础的现场贯入试验,观测了自重下沉阶段与负压贯入阶段筒型基础贯入阻力与贯入深度的关系,提出了粉土中计算沉贯阻力的方法,并对不同筒端形式的减阻效果进行了深入分析。研究结果表明,采用现有规范方法计算粉土中筒型基础的贯入阻力值较实测值偏小20%,提出的两种方法不仅适用于计算粉土中筒型基础的贯入阻力,而且能够反映负压贯入阶段的减阻效果;尖筒端可使筒端阻力减少50%,减阻环可使筒侧摩阻力减少50%,但减阻环会破坏筒壁周围土体,形成渗流通道,导致负压失效。     

钻井船插桩CEL数值模拟中的若干问题分析

依据模拟钻井船在不同场地条件下贯入阻力的离心模型试验结果及具体工程实例,对利用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）有限元方法模拟钻井船在黏土、砂土、黏土下覆砂土、砂土下覆黏土及成层土场地插桩过程时,影响贯入阻力计算结果的几个因素进行了研究。结果表明,对于不同土层场地条件,有限元模型中欧拉区域范围对贯入阻力几乎没有影响。为确保CEL数值结果的精度,有限元建模时靠近桩靴部分设置为细网格区域,以外区域设置为粗网格区域;对于不同土层场地条件,减小细网格尺寸及增大细网格范围可以减小贯入阻力的振荡情况;经比较总结,细网格尺寸建议取0.05倍桩靴直径,细网格范围建议取2倍桩靴直径。采用位移控制模拟钻井船插桩时,桩靴贯入速率对黏土场地的贯入阻力影响较小,对砂土下覆黏土场地的贯入阻力影响很大,对一般成层土场地的贯入阻力有一定影响。经比较总结,建议在研究钻井船在不同土层场地的计算贯入阻力时,有限元模型的桩靴贯入速率取0.2 m/s。     

粉土中筒型基础贯入阻力的研究

筒型基础在海洋工程中应用广泛,贯入阻力的准确计算是筒型基础成功应用的关键。在海洋工程中,粉土是介于砂土与粘土间的特殊土,现有计算方法中将粉土等同于砂土,忽略了粘聚力c对贯入阻力的影响。文中开展了粉土中筒型基础的现场贯入实验,观测了自重下沉阶段与负压贯入阶段筒型基础贯入阻力与贯入深度的关系,提出了粉土中计算沉贯阻力的方法,并对不同筒端形式的减阻效果进行了深入分析。研究结果表明,采用现有规范方法计算粉土中筒型基础的贯入阻力值较实测值偏小20%,文中提出的两种方法不仅适用于计算粉土中筒型基础的贯入阻力,而且能够反映负压贯入阶段的减阻效果;尖筒端可使筒端阻力减少50%,减阻环可使筒侧摩阻力减少50%,但减阻环会破坏筒壁周围土体,形成渗流通道,导致负压失效。     

基于上限法的条形锚板抗拔承载力分析

以极限分析上限理论为基础,利用旋转块体集的组合来构造条形锚板的运动许可速度场。分析了不排水黏土中深埋和浅埋条形锚板的抗拔承载力上限解,研究了锚板在不同埋置倾角和深度条件下的抗拔承载力和破坏面的特性,并将计算结果与已有计算方法进行了对比。分析结果表明：在不排水黏土中深埋条形锚板抗拔承载力与锚板的埋置方位和锚板的粗糙度无关,但完全光滑条件下破坏面扇圆部分的半径只有完全粗糙条件下的一半;在考虑无重土情况下浅埋条形锚板的抗拔承载力系数随锚板埋深比的增大而增大,破坏面也随埋深比的增加而逐渐扩大。所得上限解与已有文献解答较为吻合,而且求解所得破坏面更为直观,能为工程设计提供参考依据。     

Bearing capacity of rectangular footings in uniform clay with deep embedment

This letter is concerned with the undrained bearing capacity of rectangular footings with various aspect ratios and embedment ratios in uniform clay. It covers thin plate foundations with low aspect ratios and high embedment depth with embedment ratio up to 150. The work is based on small strain finite element analysis (FEA). After verification of the FEA model against existing solutions of the bearing capacity factors of rectangular footings, a series of FEA results are obtained. Based on the FEA results, a simple formulation is proposed to calculate the bearing capacity factor for rectangle footing with different aspect ratio in any embedment depth, extending the existing solutions to cover a wider ranges of footing aspect ratios and embedment ratios.     

Seismic uplift capacity of inclined strip anchors in sand using upper bound limit analysis

Pseudo-static approach is adopted in this paper to determine the seismic uplift capacity of an inclined strip anchor using upper bound limit analysis. Two different failure mechanisms are considered to obtain the magnitudes of unit weight component of uplift factor f_γE for different values of soil friction angle, interface friction of anchor plate, anchor inclination, embedment ratio and horizontal seismic acceleration coefficient. The failure mechanism 1 consists of a triangular and quadrilateral rigid blocks; whereas the failure mechanism 2 comprises a logarithmic spiral failure zone with varied focus, sandwiched between a triangular and quadrilateral rigid blocks. It is observed that the magnitude of uplift factor f_γE decreases significantly with the increase in seismic acceleration but increases with the increase in embedment ratio and roughness of the anchor surface. However, a mixed trend in the values of f_γE can be observed for different inclination of the anchor, which is clearly discussed in this paper. The results are compared with the existing values in the literature and the significance of the present methodology for designing the inclined strip anchor is discussed.     

珊瑚礁地层中PHC桩原位静载试验研究

珊瑚地层是钙质砂和礁灰岩的统称。在珊瑚地层中开展预应力高强度混凝土管桩（PHC桩）的原位堆载测试,分析了桩?珊瑚地质的相互作用规律。采用光纤光栅传感技术采集加载过程中的试桩桩身应变,由计算获取桩身轴力,分析加载过程中珊瑚地层中PHC桩基础的承载特性。试验结果表明,（1）桩?土响应处于线弹性阶段;（2）桩的承载发挥状态与入土深度显著相关,且入土深度超过15倍桩径时桩端阻力发挥峰值;（3）桩的安装方式几乎不影响其在珊瑚地层中的承载性能,但贯入能量的大小则显著影响;（4）入土深度和贯入能量的大小,影响珊瑚地质的破碎程度,颗粒破碎显著影响珊瑚地质中桩的承载发挥特性。通过原位测试可知在珊瑚地质中在贯入深度在15倍桩径以内,入土深度与桩端阻力正相关,与桩侧摩阻力反相关。     

Effect of shape on holding capacity of plate anchors buried in soft soil

Plate anchor is one of the most common varieties of anchors used in the construction and maintenance work of various on-land and offshore structures. An accurate estimation of the uplift capacity of anchor foundations is necessary for an economical design as well as for the safety and stability of structures. This paper outlines the effect of shape of anchor plates on their breakout capacity, through a series of model tests. Both shallow and deep anchor behaviours were investigated under conditions developing suction force and without suction force. The results of these tests are presented in terms of load-displacement behaviour, variation of breakout factors (with and without suction force) with depth of embedment, the critical embedment depth of anchors and variation of suction force with embedment ratio. Further, the variations of breakout factor ratio with aspect ratio and embedment ratio are reported. Based on the experimental results and the model test results of other investigators an empirical relationship has been suggested to determine the shape factor and holding capacity of plate anchors buried in saturated cohesive soils.     

静压管桩桩-土作用机制及其竖向承载力确定方法

为深入研究静压管桩桩土的作用机制及其竖向承载力的确定方法,以长春地区建筑工程使用的静压管桩为例,采用数值模拟方法和桩的载荷试验,分析了桩对桩周土的挤压作用以及桩端阻力变化规律。结果表明：桩被压入土体过程中,主要受到桩侧摩阻力和桩端阻力的作用,并造成桩周及桩端附近土体受到挤压而变形;随着桩入土深度的增加,桩顶荷载逐渐增大,而且桩径越大,相应深度的桩顶荷载就越大;同时,随着桩入土深度的增加,桩端阻力在单桩竖向承载力中的比例有规律地下降。根据桩端阻力在单桩承载力中所占比例与入土深度的关系,提出了静压管桩单桩承载力特征值的计算方法;对比建议公式和经验公式计算结果,其比值为0.57~1.26,两者结果接近。因此,文中所提出的单桩承载力特征值的确定方法是可行的。     

桩端后注浆对大直径灌注桩影响的现场对比试验研究

基于郑州三环快速路工程开展的6个场地19根大直径灌注桩现场足尺试验,通过对比分析后注浆桩与未注浆桩实测结果,研究桩端后注浆对大直径灌注桩承载变形性状、荷载传递规律、桩端承载特性及桩侧摩阻力发挥性状的影响。结果表明,桩端后注浆条件下大直径灌注桩承载变形性能明显提高,且提高幅度受注浆龄期影响较为显著;在黄河中下游以中密～密实粉土、粉细砂及可塑～硬塑粉质黏土为主要冲积地层中桩长40 m左右的大直径灌注桩表现为摩擦型桩,但相比于未注浆桩,桩端后注浆桩传递至桩身下部及桩端的荷载更小;桩端后注浆在桩端下形成水泥沉渣坚硬固结体,有效地处理了桩端沉渣问题,且通过渗透劈裂作用,形成深度可达1 m的网状分布的水泥胶结体,加之对桩端土层的压密效应,显著提高了桩端支承性能与承载刚度;桩端后注浆显著提高大直径灌注桩桩侧极限摩阻力发挥水平,并降低了桩侧极限摩阻力对应的桩土相对位移,使得大直径灌注桩在较小的沉降下表现出较高的承载能力。     

砂土中扩体锚杆承载特性模型试验研究

在25个室内模型试验基础上,研究了均质砂土中竖向拉拔扩体锚杆的几何尺寸及埋深对其承载特性的影响。试验结果表明,根据深径比的不同,扩体锚杆可以分为浅埋与深埋扩体锚杆2种形式,它们在拉拔过程中均经历了土体弹性变形阶段、非扩体锚固段-土界面剪切破坏阶段、土体弹塑性变形阶段以及剪切破坏阶段,破坏特征分别表现为整体剪切破坏与局部剪切破坏。通过扩体锚杆与普通拉力型锚杆模型试验对比发现：与普通拉力型锚杆相比,扩体锚杆极限承载力、承载比与安全性均有大幅度提高。而通过增大扩体锚固段直径的方式提高扩体锚杆承载力的优势较为明显。此外,根据承载比分析,扩体锚杆存在最优扩体锚固段直径,因此,在实际工程中应寻找一个满足需要的最优扩体锚固段尺寸以取得较好的经济效益。