上海浅部黏土渗透系数及其各向异性

为研究上海浅部黏土的渗透系数及其各向异性,沿水平及竖直方向对上海浅部主要黏土层进行了不同压力下的固结试验,联合使用时间平方根法和时间对数法获取了试样的渗透系数,探讨了渗透系数与孔隙比及渗流方向之间的关系,并通过电镜扫描,从微观角度分析了水平和竖直方向渗透系数存在差异的原因。研究结果表明：上海浅部主要黏土层的渗透系数均随着孔隙比的增加而增大。对于单组试验来说,渗透系数k与孔隙比e在e lgk坐标系中呈现很好的线性关系,且渗透变化指数Ck大致呈现Ck = 0.5e0的规律;但对于整体试验而言,渗透系数与孔隙比在e lgk坐标系中大致呈现出曲线关系。通过扫描电镜观察,揭示了沉积形成的絮状微观结构是竖直和水平渗透系数差异较小的主要原因。     

波浪荷载及土体特性对风电单桩基础水平变形影响规律

大直径单桩基础是海上风电应用广泛的一种基础形式,严格控制桩基泥面处的位移是保证基础稳定和风机安全运营的关键因素.通过数值方法建立了单桩—海床的三维模型,将可以描述海洋砂土超固结性和结构性的弹塑性本构模型通过UMAT子程序嵌入有限元软件ABAQUS中,桩基承受的波浪荷载通过Morison方程进行计算模拟.针对无波浪荷载、仅作用于海床的波浪荷载、同时作用于桩基和海床的波浪荷载三种情况,分析了海床土的动力响应以及桩基的水平位移之间的差异,探讨了海床土体参数对桩基水平变形的影响.研究结果表明海床土体液化会导致桩基水平变形增加,海床土渗透性、超固结性、结构性对桩基水平位移影响显著,研究成果可为海上风电单桩基础的设计与运维提供参考.     

基于LVDT的小应变三轴仪研制及其软土试验应用

研制了基于LVDT（线性可变差动变压器）传感器的高精度小应变三轴仪,详细介绍了该三轴仪的结构、传感器特性及小应变测量的技术细节。三轴仪采用电控调压阀控制轴压和围压,同时可用电机驱动施加轴压,进行各种复杂应力路径的应变或应力控制三轴剪切试验。针对信号干扰等影响微小位移测量精度的问题,提出了恒温、接地、使用高精度直流电源等措施,并利用中值滤波的方法有效提高了LVDT局部位移计的测量精度。利用安装有LVDT位移传感器的三轴仪对上海软土进行K0固结不排水剪切试验,成功获得上海软土在0.001%～0.1%小应变范围内的割线模量变化情况;确认了LVDT位移传感器能够获得比霍尔效应局部位移计更小应变范围的软土割线模量,指出自主研制的设备比黑盒子产品更有利于实现测量精度的提高。     

冲击荷载引起的颗粒破碎对钙质砂液化特性的影响

钙质砂具有孔隙率高、强度低、易破碎的特点。同时,钙质砂在波浪和地震等振动荷载的作用下,也具有发生液化的可能性。为探究钙质砂颗粒破碎与抗液化强度的关系,对南海永兴岛的钙质砂开展了三轴试验研究工作。首先,利用小型手动冲击装置对钙质砂进行破碎处理,获取了不同相对破碎率(Br)的试样,然后利用多功能动三轴仪分别对原始试样和不同破碎程度的试样进行了液化试验。结果表明：在相同围压和密实度条件下,钙质砂的抗液化强度(CRR)随着Br的增大而降低,但降低速率会随着Br的增大而减小。另一方面,相对密实度的增大会削弱颗粒破碎对钙质砂抗液化能力的影响。最后,为了定量评价颗粒破碎对钙质砂抗液化强度的影响,建立了Br-CRR的数学关系。     

考虑预载固结效应的海底浅基础承载力包络面演化规律研究

由于预载下土体固结,海底浅基础的承载力会随作业时间的增加而改变,其时变效应评估困难。基于修正剑桥模型,采用水土耦合有限元方法研究了预载作用下浅基础在正常固结黏土海床中承载力破坏包络面的时变规律。在验证数值模型准确性后,通过位移探针测试获取复合加载模式下浅基础的破坏包络面,揭示了预载和固结程度对基础承载力和破坏包络面的影响,给出了预载作用下浅基础承载力包络面计算方法。结果表明：随着预载比增加,固结单轴承载力呈现线性增长,固结承载力增幅在水平向最大;部分固结承载力相对增幅与预载比无关,而随固结度变化;破坏包络面形状由预载比控制,而包络面大小由预载比和固结度共同控制。研究结果可为海洋浅基础的时变承载力评估提供参考依据。     

既有三轴剪力仪的自动化改造及应用

为了开发新的上海软土本构模型,需要对既有的旧型三轴仪进行自动化改造,为获得大量试验数据提供物质基础。在分析既有设备的系统构造后,根据三轴仪的基本原理,对围压及反压加压路径进行全面改造,提高了可靠性并简化了操作流程;同时实现了位移测量和体积变化测量的自动化。最后进行了上海黏土试验以验证设备的可靠性。改造工作将原有闲置仪器进行充分再利用,改善了科研条件。介绍的方法可直接或者稍加改动后用于其他类似三轴仪的改造。     

上海浅部土层压缩指数与天然含水率的关系

压缩指数Cc是土体变形特征的一个重要指标,一般通过固结试验获得,需要耗费较长的时间以及大量人力物力,因此通过其他基本物理指标（天然含水率wn、初始孔隙比e0、液限wL）来推算压缩指数Cc是一个快捷有效的方法。从上海地区钻孔得到第②～⑥层土的原状土样进行固结试验,并结合多个地点的勘察报告数据,发现wn和e0具有较高的线性相关性,但wn与wL间的相关性不明显。考虑到wn相比e0更容易得到,选用wn来建立与Cc的关系式。研究认为,常用的线性关系不适用于上海黏土中含水率wn大于45%的情况,提出了指数函数式（8）。该函数还可适用于中国东部沿海其他地区的黏土。     

上海第4层黏土力学特性的弹塑性本构模拟

上海第4层黏土是典型的结构性海相软土,用一个本构模型统一地模拟不同应力路径下的力学特性对数值计算具有重要意义。对UNIFIED模型的结构性及超固结发展函数进行了改进,并提出了一种确定原状土材料参数和初始状态的方法。为了验证修正模型的正确性,用块状取土法取得上海第4层原状土样,进行了固结试验和三轴排水、不排水剪切试验。通过比较试验结果和本构模拟结果,明确了新的本构模型仅用一组材料参数就能统一地模拟上海第4层黏土在固结、排水及不排水三轴试验得到的应力-应变关系。模拟结果揭示了上海第4层黏土的结构比较稳定,即使在经历三轴剪切发生35%轴应变后仍能保持较高位的结构性。     

海洋黏土超固结性和结构性对沉垫基础离底吸附力的影响

我国近海区域海床表面广泛存在一层深厚软黏土,具有一定的超固结性与结构性。自升式海洋平台沉垫基础的离底吸附力对海上平台的起浮回收影响显著。通过数值方法模拟了沉垫基础的作业工况,将可以描述土体超固结性和结构性的弹塑性本构模型通过UMAT子程序嵌入有限元软件ABAQUS中,采用可以描述材料强度破坏和刚度衰减的黏结接触模型模拟基础底与海床的相互作用,并通过现场模型试验对数值模型进行了验证。在此基础深入探讨了黏土海床超固结性和结构性对基础离底吸附力的影响规律。研究结果表明：沉垫基础上拔时,底部会产生负孔隙水压力,随上拔时间先减后增,且沉垫基础边缘位置率先发生离底;黏土超固结性越强,离底吸附力越大;黏土结构性越强,离底吸附力越小。