分层土中裙式吸力基础吸力沉贯特性模型试验研究

针对一种新型海上风电基础形式-裙式吸力基础,开展模型试验,研究其在分层土地基中的沉贯特性。讨论了土层分布形式（砂土、黏性土、上层砂土及下层黏性土（简称上砂下黏）、上层黏性土及下层砂土（简称上黏下砂））、沉贯方式的影响。研究表明：裙式吸力基础在分层土中具有良好的沉贯性能。与传统吸力基础相比,裙式吸力基础在砂土、黏性土、上砂下黏和上黏下砂地基中最终沉贯深度较传统吸力基础分别增加10.0%、2.3%、3.0%和9.6%,沉贯最大吸力值分别增加0.9%、14.4%、66.2%和92.2%。黏性土层位置和厚度对基础沉贯特性影响显著。上黏下砂地层中,基础最大吸力值出现在土层分界面处,最大吸力值随土层分布系数t（上层土厚度与土体总厚度的比值）的增加而逐渐增大,最终沉贯深度随土层分布系数增加而逐渐减小。上砂下黏地层中,裙式吸力基础最大吸力值出现在最大沉贯深度处,吸力最大值随土层分布系数的增加而逐渐减小,最终沉贯深度受土层分布系数影响较小。此外,同时抽吸主桶和裙结构内水体进行沉贯,最终沉贯深度大于只抽主桶情况。在砂土、黏性土、上黏下砂（ 0.4）和上砂下黏（ 0.4）等4种地基中,裙式吸力基础采用同时抽主桶和裙结构的沉贯方式,最终沉贯深度较只抽主桶情况分别增大了13.8%、3.4%、16.4%和4.6%。研究成果为进一步阐明吸力基础在分层土中沉贯机制及指导工程实践,具有借鉴意义。     

低裙式吸力桩真空沉贯及抗拔极限承载力

为了提高裙式吸力桩的承载力,使其更易于沉贯且能更好地保护主桶周围土体免受洋流刨蚀,提出了一种新型低裙式吸力桩模型,采用双桶负压法沉贯该桩,能有效减小土塞高度。提出的超低位真空预压法能够快速固结土体,缩短试验周期,采用该方法加固的土体,能够较好地模拟强度沿深度增加的地基土。在该土体上采用抽真空法沉贯不同规格的吸力桩模型,对比研究低裙式吸力桩的可贯性,分析其沉贯阻力,结合试验数据拟合出了沉贯阻力公式。最后,通过45°斜拉试验并结合PLAXIS 3D软件对吸力桩承载力展开研究,对比试验与数值模拟结果,分析新型低裙式吸力桩的合理性。     

吸力式筒形基础沉贯过程的大变形有限元模拟

吸力式筒形基础在海洋工程中已获得越来越广泛地应用,其安装过程的数值模拟对指导工程实践具有重要意义。在大型通用有限元软件ABAQUS平台上建立了二维轴对称模型,基于ALE（任意拉格朗日-欧拉法）技术模拟了黏土中吸力筒的大变形沉贯过程。模拟过程利用了子程序VUFIELD控制土体的不排水抗剪强度和弹性模量随土体深度变化。参照离心机试验及理论计算,对模型进行验证。利用已验证模型分析不同吸力下沉贯阻力、土塞高度,并讨论了筒壁摩擦特性。数值计算结果表明,ALE技术能有效地模拟吸力筒贯入过程,避免网格畸变。贯入方式对贯入阻力影响很大,吸力式贯入阻力明显低于压力式贯入阻力。进一步研究发现,随着最终吸力值的增大,沉贯阻力会显著降低,土塞高度会显著提高。对内壁摩擦特性的研究表明,内壁摩擦阻力是导致沉贯阻力改变的主要因素,并且相比吸力式贯入方式,筒壁摩擦特性会对压力式贯入造成更大的影响。     

饱和砂土地基中吸力式桶形基础水平承载力研究

吸力式桶形基础不仅承受着上部结构及自身所引起的竖向荷载,还受到波浪、海流、海风等引起的水平荷载作用,在高纬度海域冬季还可能受到海冰的长时间挤压作用。利用三维有限元模型,研究饱和排水砂土条件下吸力式桶形基础的水平极限承载力和失稳模式,分析缓慢施加水平荷载时吸力式桶形基础失稳破坏机制,探讨不同长径比的桶形基础承载性能,研究桶体内外壁土压力分布情况和转动轴位置,并根据极限平衡解法,推导出饱和砂土地基桶形基础水平极限承载力计算公式。研究结果可为砂土地基条件下的吸力式桶形基础的设计提供参考。     

桶间距对四桶吸力式基础各单向承载力的影响及最优间距的确定

四桶吸力式基础由4个按正方形排列的吸力式桶形基础组成,并通过上部结构连成整体共同承受外部荷载,相比于单桶基础,四桶基础能承受更恶劣的海洋环境荷载,可作为海上风机和海洋平台等结构物的基础,具有广阔的应用前景。为探究饱和软土地基上四桶基础和单桶基础在承载力以及破坏模式方面的关系,优化四桶基础的设计,建立了大量的四桶和单桶基础的三维有限元模型,系统研究了不同基础埋深和土体剪切强度时桶间距对四桶基础各单向承载能力和对应的破坏模式的影响。结果表明,竖向承载力系数受桶间距影响较小,而水平承载力系数受其影响较大,力矩承载力系数受其影响尤为显著;在同一桶间距比时,四桶吸力式基础的各单向承载力系数随基础埋深比的增加逐渐增大,随土体剪切强度不均匀度指标的增大逐渐减小。通过分析四桶基础的各单向承载力、对应的破坏模式和群效应系数,定义了四桶基础的最优桶间距,可为四桶基础桶间距的优化设计提供依据。     

砂土地基中吸力式沉箱的极限沉贯深度分析

吸力式沉箱是广泛应用于离岸结构物中的新型基础形式,贯入分析方法的研究是很重要的课题。分析了砂性土地基吸力贯入过程中的渗流状况,得出了筒内壁的压降比率与贯入深径比的关系公式,分析评估了抽吸作用对筒内壁压降比率的影响,提出了砂土地基中吸力贯入阻力和地基极限吸力的简便计算方法,给出了砂土地基中极限贯入深径比的计算公式,分析了各种砂土地基中的吸力贯入极限深径比。不计筒体自重和抽吸效应影响时,这一比值介于2.1～2.5之间。     

十字形内隔板对桶形基础各单向承载力和破坏模式的影响分析

为了研究十字形内隔板对吸力式桶形基础各单向承载力和破坏模式的影响,分别建立了软土地基上带十字形内隔板和不带内隔板的吸力式桶形基础及实心圆形基础的有限元模型,并利用位移加载法对3种基础在不同基础埋深比和土体剪切强度时的各单向承载力进行了大量的有限元计算和分析。计算结果表明,当软土地基的剪切强度均一时,吸力式桶形基础的各单向承载力基本不受内隔板的影响,3种基础的破坏模式基本相同;当软土地基的剪切强度不均一时,在深径比较小时,十字形内隔板可明显提高桶形基础承受力矩和水平荷载的能力(尤其是力矩承载力),其提高效果随着土体剪切强度不均一度指标的增大而增大,且基本等同于实心圆形基础,但对竖向承载力提高不大,剪切强度不均一的软基上埋深比较小的不带内隔板的桶形基础在转角或水平位移加载下的破坏模式和另外两种基础有显著不同。给出了带十字形内隔板的吸力式桶形基础各单向承载力的简化计算公式。     

刚性挡墙后非饱和土破坏模式及主动土压力计算

目前主动土压力计算方法多仅针对土体处于饱和或干燥状态,忽略了其从非饱和到局部饱和,或饱和到非饱和的渐变过程,进而导致计算结果失真。鉴于此,首先开展了一系列刚性挡墙非饱和砂土主动土压力模型试验,揭示了墙后土体的破坏规律：（1）墙后土体顶部出现了近似竖直裂缝,且其发展深度随墙面粗糙度和含水率的增加而变大;（2）墙土界面摩擦对塑性区形状影响较小,且在挡墙移动过程中,墙后土体塑性区形状始终近似保持为平面。在试验基础上,引入广义有效应力原理,基于极限平衡分析建立了考虑吸应力效应的非饱和土主动土压力计算方法,理论与试验实测值表明,所提方法相比其他方法,更接近于试验值。分析了各主要因素对非饱和土压力分布规律的影响,结果表明：主动土压力随有效内摩擦角值增加而减少,而界面摩擦角对其分布影响较小;相比于无吸力情况,考虑吸力时主动土压力更小;随着进气值增加,吸应力对主动土压力的贡献减少,最终趋于恒定。     

接触角对非饱和土中基质吸力的影响

接触角是研究三相界面的一个基本物理量。非饱和土是典型的三相体,然而在非饱和土力学中对接触角的研究还比较少,目前还停留在假设阶段,通常假设接触角为某一固定值,甚至忽略接触角的影响。实际上接触角是随外界环境的改变而变化的。通过化学方法对砂土表面改性,从而提高砂土的接触角,使砂土由亲水性变为斥水性。在亲水性砂土中加入斥水性砂土以提高砂土的表观接触角,以此为基础制备不同接触角的试样进行吸力测量试验。试验结果表明,接触角对非饱和土中的基质吸力有重要影响,含水率相同时,随着接触角的增大基质吸力是不断减小的,当含水率增大到一定值时,基质吸力不受土体（亲水状态下）接触角的影响。当接触角增大到一定值时,非饱和土体中的基质吸力消失,即非饱和土体中不再存在负的孔隙水压力。     

关于基质吸力及几个相关问题的一些思考

基质吸力是非饱和土力学中一个非常重要的概念,也是初学者学习中的一个难点,要把它理解透彻并不容易。本文从表面物理化学的基本公式,亦即Young-Laplace公式和Kelvin公式出发,对基质吸力概念和与基质吸力有关的若干问题进行了一些思考和初步探讨。研究表明,基质吸力的大小受土的孔径大小的影响;在环境条件下,基质吸力的大小受外界平衡相对深度的影响;土的孔径分布决定了土水特征曲线的特征。     

Osmotic suction of highly plastic clays

This paper presents a study on osmotic suction of compacted highly plastic clays. Two different types of bentonite (i.e. Calcigel and a bentonite from India called herein as Indian bentonite) were used. Squeezing technique was utilized to obtain soil pore-water of the specimen. Using relationship between electric conductivity and osmotic pressure of salt solution, osmotic suction of soil pore-water was obtained. Additional tests (i.e. total and matric suction using filter paper method and swelling pressure using constant volume swelling pressure test) were performed. The results show that osmotic pressure of soil pore-water obtained decreases by increasing squeezing pressure. Based on experimental result, osmotic suction of the specimen is osmotic pressure of the first drop of extracted soil pore-water. An empirical method was suggested to determine the squeezing pressure in squeezing technique. In addition, roles of osmotic suction in thermo-hydro-mechanical behavior of highly plastic clays were presented and discussed in the paper.     

非饱和黄土基质吸力的变化

天然状态下存在大量的非饱和黄土。因此,非饱和黄土中存在的基质吸力在很大程度上可以控制抗剪强度。本次研究的非饱和黄土土样采自中国兰州市,用以展开室内试验,探讨黄土中基质吸力的变化规律以及其脱离含水量的影响因素。结果显示:结构性、矿物成分以及可溶盐含量是控制非饱和黄土基质吸力变化的最重要的三个影响因素。其中,残余含水量和土样密度有相反的相互关系。土样中存在大量的蒙脱石和伊利石的互层(I/S),以及土样中存在的可溶盐也在某种程度上影响着基质吸力的变化。     

Inclined load capacity of suction caissons

A simplified method of analysis for estimating lateral load capacity of suction caisson anchors based on an upper bound plasticity formulation is presented. The simplification restricts the analysis to caissons in uniform and linearly varying undrained strength profiles; nevertheless, its computational efficiency permits quick evaluation of a number of parameters affecting load capacity. The validity and limitations of the simplified formulation are demonstrated through comparisons to more rigorous finite element solutions. A series of sensitivity studies demonstrate the effects of various soil conditions and loading parameters. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Swell pressure prediction by suction methods

Soil suction is the most relevant soil parameter for characterization of the swell behavior. An attempt was made to predict swell pressures from soil suction measurements. In this study, Na-bentonite was mixed with kaolinite in the ratios of 5, 10, 15, 20 and 25% of dry kaolinite weight to obtain soils in a wide range of plasticity indices (i.e. 30, 50, 68, 84 and 97%). Suction measurements using thermocouple psychrometer technique were made on statically compacted specimens. The dependence of soil suction on water content, dry density and bentonite content was examined. Soil suction was correlated to the soil properties, namely, water content, plasticity index, dry density, cation exchange capacity and specific surface area using multiple regression analyses. The correlations revealed a simple regression equation for a quick prediction of soil suctions from easily determined soil properties. In order to investigate soil suction versus swell pressure behavior, the results of standard constant volume swell tests (ASTM, 1990) performed on statically compacted samples of these clay mixtures were used. A linear relationship was established between the logarithm soil suction and the swell pressure. It was also found that an experimental relationship which would directly relate the initial soil suction to the swell pressure can be established.     

Methodology for determination of osmotic suction of soils

Soil suction constitutes of the matric suction and the osmotic suction. Several studies have been conducted and reported by researchers that reveal the importance of the matric suction on unsaturated soil properties. However, not many efforts have been made to develop methodologies that can be employed for measuring osmotic suction of the soil and to understand its influence on unsaturated soil properties. With this in view, efforts were made to utilize the results of the pressure membrane extractor (PME) and the dewpoint potentiameter (WP4), which measure matric and total suction of the soil, respectively. Details of the methodology developed to achieve this are presented in this technical note.     

结构性黄土吸力的试验研究

利用轴平移法量测吸力技术,进行了等吸力三轴剪切试验,研究人工制备结构性黄土吸力与周围压力的关系;利用土吸力量测仪进行了原状结构性黄土吸力的量测,研究了结构性黄土吸力随含水量及饱和度的变化关系,随着三轴剪切试验的周围压力的增大,吸力逐渐减小;原状结构性黄土的含水量(饱和度)对吸力有显著的影响,随着土的含水量的增加吸力减小。      

考虑基质吸力作用的土坡稳定性分析

非饱和土基质吸力的有效应力作用,使得土体的抗剪强度得以提高。基于Fredlund的非饱和土抗剪强度理论,在土坡极限平衡分析方法中,同时考虑分条的土条底面与条间的基质吸力分布对土体抗剪强度的贡献,进而构筑考虑基质吸力作用的土坡极限平衡分析方法。构筑基于极限平衡分析方法的目标函数,应用SLP优化方法寻求最危险滑动面。用具体计算实例说明这种分析思路可以评价土坡的稳定性评价的影响。     

密度对砂土基质吸力的影响研究

目前主要是依据土-水特征曲线及含水量来确定基质吸力,而忽略了土体密度对基质吸力的影响,这不论从理论上,还是从应用方面都是不完善的。为此,笔者选取霸桥砂土,进行了大量不同密度、不同含水量土样的基质吸力测试。经过对实验资料的分析研究,得到了三种密度下的基质吸力随含水量的变化关系式,并进一步得到了既考虑土体密度,又考虑含水量的基质吸力表述关系式,最后经水分迁移试验,验证了密度对水分迁移进程的影响。研究结果表明：基质吸力随密度的变化是明显的,含水量越低,这一趋势越明显。在含水量相同的情况下,当砂土从疏松状态逐级变密时,吸力值先后经历变小、变大、又变小的过程,笔者对造成这一现象的原因作了初步分析。     

On the equilibrium of suction and pressure plate tests

Acta Geotechnica - Pressure and suction plate tests are among the most common techniques for determining the soil–water characteristic curve. The required testing period depends on many...