Study of mechanical behavior and strain localization of methane hydrate bearing sediments with different saturations by a new DEM model

This paper presents a numerical investigation into mechanical behavior and strain localization in methane hydrate (MH) bearing sediments using the distinct element method (DEM). Based on the results of a series of laboratory tests on the bonded granules idealized by two glued aluminum rods and the available experimental data of methane hydrate samples, a pressure and temperature dependent bond contact model was proposed and implemented into a two-dimensional (2D) DEM code. This 2D DEM code was then used to numerically carry out a series of biaxial compression tests on the MH samples with different methane hydrate saturations, whose results were then compared with the experimental data obtained by Masui et al. [9]. In addition, stress, strain, void ratio and velocity fields, the distributions of bond breakage and averaged pure rotation rate (APR) as well as the evolution of strain localization were examined to investigate the relationships between micromechanical variables and macromechanical responses in the DEM MH samples. The numerical results show that: (1) the shear strength increases as methane hydrate saturation S_MH increases, which is in good agreement with the experimental observation; (2) the strain localization in all the DEM MH samples develops with onset of inhomogeneity of void ratio, velocity, strain, APR, and distortion of stress fields and contact force chains; and (3) the methane hydrate saturation affects the type of strain localization, with one shear band developed in the case of 40.9% and 67.8% methane saturation samples, and two shear bands formed for 50.1% methane saturation sample.     

砂土中单桩竖向抗压承载机制的离散元分析

将单桩视为平面问题,采用二维离散单元法分析了砂土中单桩竖向抗压承载机制。首先利用离散元模拟地基的形成、挖孔灌注桩的成桩过程以及地基土的双轴压缩试验;然后通过离散元模拟单桩竖向抗压静载试验,分析其承载机制。结果表明：随着桩的沉降增大,桩端阻力一直增大,桩侧摩阻力先增大后达到稳定值;单位桩长侧摩阻力从桩顶到桩端呈非线性增长趋势;当荷载达到桩的极限承载力时,桩端发生刺入破坏,导致桩侧与桩端附近土体的转动场梯度、应力场梯度增大,主应力发生大角度旋转。     

考虑砂土地基预制桩侧向挤土影响的单桩承载力分析研究

预制桩的沉桩过程产生了对桩周土体的挤密作用,桩周土体的力学特性发生了相应的改变,这种改变会直接影响预制桩桩基础的承载力。利用有限元计算分析方法对砂性土地基预制桩沉桩过程进行了数值求解,得到了桩周土体的位移和应力变化规律;在应力路径控制的三轴试验中,模拟土体在受到预制桩沉桩影响的应力状态,试验研究了标准砂在再受荷载作用时的力学特性;在荷载传递法中,运用桩周土体性质的变化试验结果,进行了有限差分数值分析,得到了考虑和不考虑挤土作用的单桩P-S曲线。研究结果表明：预制桩的沉桩过程对桩周土中的径向和轴向应力都有明显的影响,对径向应力的影响大于对轴向应力的影响;挤土效应提高了桩周土的剪切模量值和强度,影响范围大致相当;考虑沉桩侧向挤土影响单桩承载特性有明显的提高,现行的预制桩设计偏于安全。     

不同开采方法下深海能源土离散元模拟

天然气水合物以胶结及孔隙填充等形式存在于深海能源土中,开采时因其分解会劣化地层力学特性进而引发海底事故,使得人们对能源土开采过程进行中力学特性的变化愈发重视。在前期室内试验的基础上,将一个温度-水压-力学二维微观胶结模型引入离散元商业软件PFC2D中,通过对排气、排水性较好的土体进行升温及降压法开采进行数值模拟,并将模拟结果与相同条件下的室内试验结果对比,验证了该胶结模型的适用性。进一步分析了颗粒接触分布与颗粒平均纯转动率（averaged pure rotation rate, APR）在水合物分解时的变化情况。升温分解过程中随温度升高,颗粒总接触分布各向异性程度增大;胶结接触逐渐减少并始终保持主方向为水平方向,无胶结接触增多并始终保持主方向为竖直方向;APR值逐渐增大且正负值分布逐渐趋于集中。降压分解过程中随反（水）压降低,颗粒总接触由各向同性分布逐渐发展为主方向为竖直方向的各向异性,APR值较小且分布均匀;恢复反压后,试样进一步破坏,颗粒总接触各向异性更加明显,APR值增大且正负值呈集中分布。     

钙质石灰岩中桩基轴向承载特性的有限元分析

为了研究钙质石灰岩中桩基的合理设计理论及开发相关的变形破坏数值分析方法,利用弹塑性有限元方法对以硫球石灰岩作为持力层的桩基现场轴向载荷试验进行了数值分析。有限元分析中钙质石灰岩被假定为理想弹塑性材料。结果表明,如果能在有限元解析中合理地考虑桩侧摩阻力的低减效果,弹塑性有限元计算可以较好地模拟与分析钙质砂土中桩基的轴向承载力特性。最后还对开口钢管桩基的土塞效应的发生机制进行了分析。     

吸力式沉箱基础极限拉拔承载力的数值分析

作为新型的深水海洋基础型式,吸力式沉箱基础被广泛地用于系泊深水海洋设施中,从而承受巨大的倾斜上拔荷载。在上拔荷载水平分量与竖向分量的共同作用下,吸力式沉箱的承载特性及其工作性能评价是海洋工程设计与建设中的关键技术问题之一。然而现有的理论分析与试验研究并不能满足工程实践的需要,因此,对吸力式沉箱基础的极限承载力分析建立了有限元数值计算方法。当沉箱基础在快速拔出过程中,正常固结黏土处于完全不排水状态,沉箱基础发生整体破坏时表现出反向地基承载力失稳模式,此时沉箱基础所发挥的极限承载能力往往最大。为此,在数值计算中直接假定沉箱基础及其周围土体处于完全不排水状态,针对不同的沉箱长径比,分别确定了在竖向上拔荷载和水平拉拔的单独作用下沉箱基础极限承载力。对比发现：竖向上拔极限承载力有限元解能够较好地与理论计算结果相符合,而水平极限承载力解与理论计算结果存在一定的差异。     

单桩侧向承载力的试验研究

通过对单桩进行一系列在侧向力作用下的试验,研究桩-土体系内的应力、位移分布情况和桩水平承载力的计算方法,并对提高单桩在侧向力作用下的承载力提出了一些建议。     

用双曲线法预测挤扩支盘桩的极限承载力

双曲线法能够比较好地预测P-s曲线为缓变型的桩基的极限承载力。根据7根挤扩支盘桩的实测P-s曲线,用双曲线法预测了支盘桩的极限承载力。结果表明在极限加载范围内,双曲线法同样适用于挤扩支盘桩,拟合双曲线与实测的曲线比较吻合,预测的结果对工程实际有一定的价值。     

几种单桩竖向极限承载力预测模型的对比分析

主要结合天津市钻孔灌注桩静载荷试验资料，对几种常用的单桩极限承载力预测模型进行了对比分析，提出了适于天津市区的单桩极限承载力预测模型。     

单桩极限承载力时间效应估算方法比较

沉入饱和软土中的预制制桩的极限承载力随间歇期的增长而增大,这一现象虽已被工程界广泛认可,但至今仍然没有得到很好地解决。有效地确定单桩承载力随时间变化的规律对桩基础设计非常重要。人们提出了多种估算预制桩随时间变化的桩承载力的方法,但由于不同方法有各自的适用性和局限性,算出的结果有时差别很大,在使用时很难准确把握。首先分析了用于估算饱和软土中预制桩承载力随时间变化的几种方法：对数函数法、双曲函数法、人工神经网络法和基于超孔隙水压力消散的理论解析公式法。再以简洁性、理论性、适用性等为准则,结合工程实例,对以上几种方法进行比较,指出各自优缺点,推荐基于超孔隙水压力消散的简化解析方法来估算软土中预制桩承载力随时间变化的规律。     

Development of partial factor design method on bearing capacity of pile foundations for Japanese Specifications for Highway Bridges

ABSTRACT

This paper shows the development of a partial factor design method on the bearing capacity of pile foundations for Japanese Specifications for Highway Bridges. Firstly, estimation design equations on the bearing capacities of pile foundations are improved by analysis of pile load test results and uncertainties in the bearing capacities are evaluated. Secondly, the reliabilities of pile foundations designed by the former specifications are evaluated based on reliability analysis considering the uncertainties in the bearing capacities and coefficients of subgrade reaction. Finally, a partial factor design method is developed based on the target reliability index obtained based on the conventional pile installation method by the pile installation methods. The factors are different for each pile installation method.     

钻孔灌注桩单桩承载力的可靠度研究

采用无量纲随机变量的极限状态方程,结合天津市钻孔灌注桩试桩资料进行可靠度分析。采用了JC法和Monte Carlo法两种方法进行可靠指标的计算,并对影响可靠指标的各种因素进行了分析。还计算了单桩承载力的抗力分项系数。     

波浪荷载作用下斜向抗拔桩的承载特性分析

针对浮式海洋结构采用的桩基础,考虑土的循环软化效应,将软土的循环强度与Mohr-Coulomb屈服准则相结合,基于拟静力弹塑性分析建立了循环波浪载荷作用下斜向抗拔桩循环承载性能的计算模型,确定了斜向上载荷作用下抗拔桩的循环承载力,并与单调加载作用下的斜向抗拔桩的极限承载力进行了对比,进一步探讨了桩长、桩径、桩体模量及载荷循环次数等因素对斜向抗拔桩循环承载力的影响。研究结果表明：循环波浪荷载的作用导致了斜向抗拔桩土体循环强度的分布不均匀,从而降低了地基的循环承载力。斜向抗拔桩的动态极限承载力随循环次数的增加而降低,随桩长、桩径及桩体模量的增大而增大。     

预应力管桩单桩承载力的Q-H曲线分析法

分析了锤击预应力管桩的承载机理,提出了分析单桩承载力的基本原则,给出了分析单桩承载力的Q-H曲线法,对曲线的绘制、分析方法到结果确定进行了系统的论述,为工程设计人员提供了一种有效的分析方法。     

Reliability analysis for bearing capacity of surface strip footing using fuzzy finite element method

ABSTRACT

This paper presents the reliability analysis on the basis of the foundation failure against bearing capacity using the concept of fuzzy set theory. A surface strip footing is considered for the analysis and the bearing capacity is estimated using the conventional Finite Element Method (FEM). The spatial variability of the variables is taken into consideration to capture the physical randomness of the soil parameters for an isotropic field. A variation of the probability of failure (P_f) against a varying limiting applied pressure (q) is presented for different Coefficient of Variation (COV) of the variables and different scale of fluctuation (θ). The results reveal that the friction angle of soil (?) is the most influencing parameter among the other variables. Further, the influence of the scale of fluctuation (θ) on the probability of failure (P_f) is also examined. It is observed that for a particular COV of ?, higher value of θ predicts higher P_f whereas, P_f increases as COV of ? increases for a particular θ value. Later, a comparison study is accomplished to verify the viability of the present method and it can be noticed that the present method compares well with the other reliability method (First Order Reliability Method) to a reasonably good extent.     

上覆土嵌岩扩底桩抗拔承载特性离心模型试验及计算方法研究

随着我国西部输电线路工程的快速发展,杆塔基础抗拔问题日益突出,岩体的破坏模式、极限抗拔承载力的计算方法都是目前亟待解决的关键问题。根据离心模型试验结果,分析了岩体破坏模式、荷载-位移曲线、桩身轴力分布和桩侧摩阻力曲线。基于试验结果对岩体破坏形状进行无量纲化处理并拟合,得到了统一的函数描述形式。在此基础上,利用极限平衡法推导出上覆土嵌岩扩底桩极限抗拔承载力的计算方法,并对该计算方法作了简化分析,将积分计算值和简化计算值分别与离心模型试验结果进行对比。研究结果表明:上覆土嵌岩扩底桩的软质岩破坏模式为喇叭型曲面,可用统一的幂函数形式进行描述。简化计算方法的结果与离心模型试验结果吻合良好,提出的新方法对西部山区杆塔基础的抗拔设计具有参考和应用价值。     

现浇混凝土筒桩承载特性试验分析

介绍了现浇薄壁筒桩技术,并以实测资料为基础分析了单桩及复合地基受力特性。现场试验研究表明,沉管灌注筒桩竖向承载性能好,同时由于大直径所产生的薄壳效应能够提供较大横向抗力,筒桩复合地基在沉降和承载方面均能够很好的满足工程需要,更具有质量可靠,造价低廉等优点。     

嵌岩桩承载变形特性的数值分析

嵌岩桩的单桩极限承载力高,现场试桩试验加载至极限状态代价和难度均较大,试验取得的数据较难全面反映嵌岩桩的承载变形特性。基于武汉绿地中心嵌岩桩试桩试验成果,采用ABAQUS有限元软件建立桩-土-岩共同作用模型,分析了基岩岩性、嵌岩深径比以及上覆土层厚度等对嵌岩桩承载变形特性的影响。数值计算表明,基于合理的本构模型、合理地参数取值,采用有限元方法对嵌岩桩试桩试验开展模拟分析,可以取得较为合理的拟合结果。基岩岩性、嵌岩深径比、上覆土层厚度对嵌岩桩的承载变形特性均有较大的影响。基岩岩性和嵌岩深度对上覆土层段侧摩阻力的发挥影响不大。嵌岩段的承载力是嵌岩桩总承载力的主要组成部分,但对穿越深厚上覆土层的嵌岩桩,上覆土层段桩侧摩阻力是嵌岩桩总承载力的重要组成部分,不应忽视。     

三维离散元单轴试验模拟甲烷水合物宏观三轴强度特性

填充型水合物的砂性能源土试样可视为特殊的散粒体材料,即砂粒和水合物颗粒混合物,具有明显的非连续特征。为研究填充型水合物的能源土力学特性,初步探索了甲烷水合物在不同温度、反压条件下加荷模式的离散元模拟方法。离散元模拟中,将水合物块体视为由大量颗粒通过强胶结作用凝聚而成的整体,室内试验中的内部孔隙水压作用转化为水合物颗粒间的胶结力,故需要合理确定颗粒间胶结模型参数来实现反压的影响作用。通过参数反演建立了宏观强度、刚度参数与平行胶结模型的微观胶结参数间的宏、微观关系,基于已有室内甲烷水合物三轴试验资料,确定了给定温度和反压条件下的微观胶结参数取值,随后进行离散元单轴压缩试验。离散元单轴压缩试验模拟获得的水合物强度特性,与室内三轴试验结果符合较好;通过建立的宏、微观参数间的关系,实现了不同温度、反压下的水合物加荷模式的模拟。为进一步提出深海能源土离散元数值试验成样方法--孔隙填充水合物生成技术,形成含填充型水合物的能源土试样,研究其力学和变形特性奠定基础。     

结构性砂土海床管道上浮破坏的离散元模拟

借助离散单元法（DEM）建立海底管道上浮模型,模拟分析了不同胶结强度下胶结试样的力学特性;通过微观力学响应（局部变形、胶结点破坏分布和位移场）对海底管道上浮破坏机制进行分析;对比分析了海床砂土胶结强度对管道上浮土体破坏的影响（上浮抗力和地表隆起量）。结果表明：伴随土体变形和胶结破坏,上覆土体的渐进破坏主要集中在上覆土体区域内;土表隆起量随着管道上浮位移的增长而增长;胶结强度较高时,管道周围土体无回填行为,上覆土体有拉裂带形成,仅管道附近土体产生胶结破坏,峰值上浮抗力随海床砂土胶结强度的增加有显著提高