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。     

筒型基础负压沉贯流固耦合渗流分析模型

分析筒型基础沉贯作用的土层,利用 流动理论各项同性硬化原理,研究海积软土颗粒本构关系,结合离散元方法计算土体体应变,并将其引入海积软土的物性参数动态计算模型。根据筒型基础沉贯特征,结合体应变以及物性参数动态模型,由有效应力原理和瞬时质量守恒原理分别确定应力和渗流方程,并给出上述模型的定解条件。建立了新的流固耦合渗流的数学模型,求解筒型基础沉贯渗流场分布。     

筒型基础在粉质黏土中的静压沉放试验研究

筒型基础是一种常见的海洋基础型式,其成功地沉放就位是正常使用的前提。故针对筒型基础,在均匀粉质黏土中开展了不同长径比的模型静压沉放试验,得到了筒型基础在静压沉放过程中的筒端和筒壁内外压力的变化情况。试验结果表明:筒内压力呈双折线形式,筒外压力线性增加,筒壁的侧向挤压是产生筒内压力的主要原因,筒内的挤土效应明显高于筒外;筒外的挤土程度为上部小,下部大,并与土塞增长率IFR成线性关系;筒端阻力与土的强度直接相关。根据规范,基于不排水剪强度和静力触探(CPT)可较准确的计算筒侧阻力和端阻力,由于挤土效应的差异,计算筒内阻力时的?、kf要取较大值。在基础沉放过程中主要阻力由端阻转变为侧阻,静压阻力和土塞的发展对0.1~0.2 cm/s之间的下沉速度不敏感,长径比L/D在1~2间的筒型基础的挤土效应和阻力特性是相近的。     

筒型基础在粉质黏土中的静压沉放试验研究EI北大核心CSCD

筒型基础是一种常见的海洋基础型式,其成功地沉放就位是正常使用的前提。故针对筒型基础,在均匀粉质黏土中开展了不同长径比的模型静压沉放试验,得到了筒型基础在静压沉放过程中的筒端和筒壁内外压力的变化情况。试验结果表明:筒内压力呈双折线形式,筒外压力线性增加,筒壁的侧向挤压是产生筒内压力的主要原因,筒内的挤土效应明显高于筒外;筒外的挤土程度为上部小,下部大,并与土塞增长率IFR成线性关系;筒端阻力与土的强度直接相关。根据规范,基于不排水剪强度和静力触探(CPT)可较准确的计算筒侧阻力和端阻力,由于挤土效应的差异,计算筒内阻力时的?、kf要取较大值。在基础沉放过程中主要阻力由端阻转变为侧阻,静压阻力和土塞的发展对0.1~0.2 cm/s之间的下沉速度不敏感,长径比L/D在1~2间的筒型基础的挤土效应和阻力特性是相近的。     

考虑挤土效应的筒型基础沉放阻力数值分析及试验验证

鉴于传统的筒型基础沉放阻力计算公式或数值分析方法均没有考虑筒壁内外侧挤土效应的差异,对于窄深型或是带分舱板的宽浅型筒型基础,由于筒壁或者分舱板的约束作用,基础内侧挤土效应有时远大于外侧,用传统方式计算沉放阻力可能存在较大误差。为揭示筒壁内外侧挤土效应的差异情况,采用显式的任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,针对土体大变形和接触非线性等问题,建立了能够实现筒型基础动态、连续沉放过程的有限元模型,模拟出了筒壁内外侧挤土效应。数值分析结果表明,当入土深度与筒径比达1.6时,筒壁内侧压力可达外侧的10倍左右。通过分析下沉过程中筒壁内外侧土体位移及应力分布,阐述了筒壁内外侧挤土效应差异的机制。最后,提出了考虑挤土效应的筒型基础沉放阻力计算公式,计算与试验结果吻合良好,大大提高了筒型基础沉放阻力的计算可靠性。     

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。     

砂土海床中海底管道贯入阻力演化特征及细观机制研究

理解海底管道竖向贯入过程是科学评估管道安装期间初始埋深及服役期间安全性和稳定性分析的关键。通过土工离心机模型试验,结合离散元数值分析研究了真实应力水平下不同密实度砂土中海底管道竖向贯入阻力演化特征及细观机制。研究结果显示,对于中密砂,管道贯入阻力曲线主要表现为硬化特征;对于密砂,贯入阻力曲线整体上呈现周期性软化特征,且埋深越大,软化程度越大。离散元计算分析表明,造成该现象的原因是不同密实度砂土中管道贯入的土体流动及破坏机制不同,且贯入阻力的演化与剪切带的形成与发展密切相关。利用现行海底管道设计规范评估密砂中管道埋深时应充分考虑其贯入阻力随深度的演化特征,当管道埋深初步评估大于0.1D(D为管径)时,应结合计算结果上下限值合理预测管道埋深。     

多筒吸力平台沉放调平模型试验

描述了位于渤海辽东湾93地区人工岛靠船系缆平台沉放调平模型的试验过程,系缆平台的基础采用了三筒结构型式,这也是我国应用于海洋工程的第一个多筒型基础平台,尽管海上施工前对筒型基础沉放已有了一定的经验, 但多数都是基于吸力锚或单筒式吸力平台结构,对于多筒式吸力基础平台还没有任何的工程经验。试验为海上原型结构沉放施工可行性及施工调平程序的编制起到了一定的指导作用。     

无黏性土中筒型基础负压下沉模型试验

筒型基础是海洋结构物特别是海上风力机的重要基础型式之一,其下沉阻力的研究是该种基础型式成功应用的关键。目前对于无黏性土中下沉负压的计算方法主要有以静力触探为基础的(CPT-Based)方法与基于贯入过程中筒体受力平衡的解析方法,但计算结果与工程实测数据均存在偏差。开展了3种不同厚径比筒型基础的负压下沉模型试验,测量了下沉过程中筒内外侧壁、端部土压力以及周围土体的孔压变化;分析了2种方法中计算参数对结果的影响,给出了推荐的参数取值范围;根据实测孔压与数值模拟结果建立了临界负压计算公式。研究表明：砂土中筒型基础负压下沉时筒土间摩擦系数约为0.2,推荐CPT-Based方法中的外侧摩阻力系数为0.002 6～0.007 0,内侧摩阻力系数为0.001,端阻力系数为0.2～0.6;解析法中侧向土压力系数介于静止土压力系数与被动土压力系数之间,端阻力承载系数为40;考虑土体渗透破坏保护机制的临界负压计算公式可以有效地提高筒型基础下沉控制的临界负压,更加接近实际情况。     

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。     

珊瑚颗粒孔隙结构及渗流特性分析

珊瑚砂的孔隙结构对珊瑚砂的力学性质和渗透特性影响显著,采用高分辨率计算机断层扫描仪（computed tomography,简称CT）对珊瑚砂颗粒进行了扫描,建立了珊瑚砂颗粒的三维孔隙结构模型,并对孔隙的直径、体积、紧密度、球度进行了定量分析,采用数值模拟方法探究了松散堆积珊瑚砂及单颗粒珊瑚砂内孔隙结构的渗透特性。试验结果表明：孔隙数量随着孔隙直径的增加显著减少,且微孔数量较多,大孔数量较少;孔隙的直径与紧密度之间为幂函数关系,与球度之间则表现为线性关系。渗流分析结果显示,松散堆积珊瑚砂的渗透能力显示出各向异性,Z方向的绝对渗透率小于X、Y方向。珊瑚砂颗粒内的孔隙渗流速度较慢,不同颗粒之间渗流能力差距较大,部分颗粒不能发生渗流,且颗粒内孔隙的绝对渗透率仅占总绝对渗透率的1.26%。     

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。     

轻型动力触探法与静力触探法检测粗砂相对密实度的相关性研究

大量的模型试验和现场试验结果表明,轻型动力触探和静力触探都可用于公路桥涵台背回填中粗砂的密实度检测,而且锤击数N10和锥尖阻力Qc存在着良好的线性关系。为了从理论上揭示两者的相关性的根源,采用拉德模型模拟了两种方法的试验过程,三维有限元数值分析得知,两种触探方法在砂土中的应力、应变和位移场有较大的相似性,验证了轻型动力触探和静力触探在中粗砂中试验结果相关性的必然性。     

塔克拉玛干沙漠砂静力触探试验研究

在控制相对密度和含水量的条件下进行了系列室内大型槽和中型槽原位测试模拟试验及相关土工试验,取得了塔克拉玛干沙漠砂静力触探指标锥尖阻力qc与容许承载力pa、内摩擦角? 、相对密度Dr和变形模量E0.01的一系列有效数对,建立了qc- pa,qc-? ,qc-Dr,qc-E0.01等相关关系,并给出了适合在沙漠地区应用的数字化表格,为在沙漠地基勘察中推广应用静力触探技术积累了经验。