考虑砂土渗透性变化的吸力锚沉贯及土塞特性研究

吸力锚负压沉贯过程中锚内部常常产生土塞现象,这将阻碍锚体的进一步沉贯,影响吸力锚在海床土体中的安装深度,最终导致吸力锚承载力的降低,本研究通过1g条件下室内模型试验研究土塞的形成机理。通过试验模拟吸力锚水下砂土中吸力沉贯过程,借助高分辨率相机记录锚体整个沉贯过程,同时利用微型孔压传感器测量锚内外负压值随沉贯深度变化情况。试验过程中发现吸力锚内部土柱在向上渗流作用下发生细颗粒迁移现象,且随着沉贯深度的增大,土塞隆起的高度逐渐增加。提出土塞的形成是由于吸力锚内部土体膨胀引起的,进而引起渗透系数的增加。本研究分析了渗透系数在锚体沉贯过程中的变化情况,并对Houlsby和Byrne提出的吸力锚砂土中沉贯吸力计算模型进行了改进,从而获得更加准确的沉贯吸力随沉贯深度变化关系理论计算方法,为吸力锚的工程设计和施工提供理论依据。     

中粗砂中吸力锚的负压沉贯模型试验研究

吸力锚是海洋工程中广泛采用的一种基础形式。其沉贯能力（即达到预定海床位置）是其承载力达到设计要求的重要保证。国内外针对吸力锚在细砂、粉土和黏土中的沉贯性进行了较多理论及模型试验研究,但对中粗砂研究相对较少。分别针对不同水位深度和不同抽吸速度条件,对吸力锚在中粗砂中的沉贯性进行了大量模型试验研究和分析,得到了负压与沉贯深度的关系。通过沉贯方案对比,得出了吸力锚负压沉贯的最佳试验条件。通过有机玻璃吸力锚对比沉贯试验,直观展示了沉贯过程中吸力锚中“水塞”和“土塞”的形成过程。吸力沉贯与压力贯入对比试验表明,负压导致的渗流显著降低了吸力锚的沉贯阻力,是中粗砂中得以沉贯的主要原因。基于试验成果,提出了模型试验条件下,吸力锚沉贯计算的理论公式。     

基于CFD-DEM流固耦合方法的吸力锚基础负压沉贯数值模拟

吸力锚基础作为一种新型高效的海洋结构物基础形式在海洋工程中得到了广泛应用。对于砂土中的吸力锚沉贯研究，传统试验或有限元数值模拟存在一定局限性。采用基于离散单元法与计算流体动力学理论（CFD-DEM）流固耦合方法对吸力锚在砂土中的吸力贯入过程进行数值模拟分析；通过与室内物理模型试验、沉贯阻力理论解析计算结果进行对比分析，验证CFD-DEM流固耦合方法的有效性和准确性。进一步地，从土颗粒细观尺度上深入分析吸力锚在砂土中沉贯特性。数值模拟捕捉到贯入过程中锚内土塞和砂层变化现象，发现砂层呈现出中间向上凸起的弧状分布，说明贯入产生挤土效应，其造成的土体位移和膨胀也是土塞产生的原因。同时模拟得到贯入过程中的超孔隙水压力等势线分布变化情况和锚内砂层水力梯度的变化情况，证实了砂土中吸力贯入的“安全机制”。最后将数值所得的锚外负压比变化与Houlsby和Byrne理论模型计算结果进行对比，得到锚内土体渗透系数随沉贯的变化规律。通过本研究验证，采用离散元法结合计算流体动力学理论有效地模拟和捕捉吸力锚沉贯过程中的细观土水相互作用、宏观土体变形及渗流场分布等现象，该方法可作为吸力锚沉贯特性研究的一种有效手段。     

粉土中吸力式桶形基础沉贯及抗拔特性试验研究

吸力式桶形基础的负压沉贯控制和抗拔承载力确定是海洋钻井平台和海上风电机组多桶基础以及深海吸力锚基础设计和施工中的关键问题。通过室内大比例模型试验研究了吸力式桶形基础在饱和粉土中的负压沉贯及抗拔特性。负压沉贯试验结果表明负压并不能明显减小吸力式桶形基础在粉土中的沉贯阻力,基于CPT试验结果可较为准确地预估沉贯施工所需负压,从而确保沉贯的顺利实施和防止沉贯过程中地基发生管涌破坏。不同加载速率下的上拔试验结果表明存在一临界加载速率,当实际加载速率超过该临界值后,加载速率对吸力式桶形基础的抗拔特性影响较小。结合桶体及桶外土体的变形,提出了粉土地基中不同受力状况下吸力式桶形基础的抗拔承载力计算方法。     

分层土中吸力基础沉贯吸力变化及土体变形规律试验研究

吸力基础近年来在海上风电工程中逐渐得到推广,我国海上风场地基广泛分布分层土,研究吸力基础在分层土中的沉贯特性有助于推动其在我国海上风电工程领域的应用。开展模型试验,探讨了土层分布形式(砂土、黏性土、上层砂土下层黏性土(简称上砂下黏)、上层黏性土下层砂土(简称上黏下砂))对吸力基础沉贯吸力值、沉贯阻力、土塞高度和土体变形的影响。研究发现在上砂下黏土层中,当基础贯入至土层分界处时,基础吸力值陡然增加;当吸力基础贯入至上黏下砂土层分界处时,基础内部吸力值陡然降低,通过有机玻璃吸力基础模型试验阐述了吸力变化的原因。不同土层条件下,基础内部最终土塞高度规律由高到低为：上黏下砂土层、单一砂土层、上砂下黏土层、单一黏性土层,阐明了不同土层分布情况下基础内部土塞形成机理。对于单一砂土层和上砂下黏地基,沉贯结束后,基础周围土体出现环形沉降区域,单一砂土地基中沉降区域范围大于上砂下黏地基情况。对于单一黏性土和上黏下砂土层中,沉贯结束后基础周围黏性土中产生裂缝,且吸力沉贯下土体裂缝数量及裂缝扩展范围大于压贯条件,土体最大裂缝范围约为1.9倍基础直径。     

粉砂中筒型基础沉贯过程筒–土作用机理试验研究

筒型基础沉贯安装是一项关键施工过程,目前相关研究多集中在沉贯阻力与吸力的计算方法上,而缺乏对沉贯过程筒–土作用机理研究。针对这一问题,开展了粉砂中筒型基础沉贯试验,得到了静压和吸力沉贯工况下筒壁内、外侧所受土压力发展变化规律。静压试验结果表明,筒壁内侧所受土压力远大于外侧,内侧土体挤压程度随下沉深度增加而增大,外侧相反。吸力试验结果表明,施加吸力时内侧土压力减小,外侧土压力先增大后迅速减小至稳定值,吸力产生的渗流可以大大减小端阻力与内侧摩阻力。试验结果还表明现有临界吸力计算公式是过于保守的,并根据试验结果对现有计算所需吸力的方法进行了修正,得到了一种更加准确的计算方法。     

静压开口管桩沉桩过程模型试验及数值模拟

利用侧面透明的模型箱和铝管半模桩模拟开口管桩在砂土中的沉桩过程.利用高分辨率数码摄录设备观察土塞形成的3个阶段,分析土塞形成的力学机制.在模型试验基础上,通过二次开发颗粒流程序PFC2D对沉桩全过程进行离散元数值模拟.结果表明,PFC2D能够模拟开口管桩从开始刺入砂土到形成土塞并最终呈现闭口管桩性态的整个过程;通过定性研究开口管桩在沉桩过程中土塞的形成演化规律、桩土接触面、土颗粒细观组构变化以及砂土颗粒运动规律等,从细观尺度出发探讨开口管桩沉桩过程中砂土的变形机制和土塞的形成机制.     

循环荷载作用下吸力锚基础变形的数值分析方法研究

张紧式吸力锚是一种重要的深水海洋浮式平台锚固基础。静荷载与循环荷载共同作用下地基土体产生较大变形,严重影响吸力锚基础的稳定性。介绍了一种能够描述饱和软黏土不排水循环应力应变响应的拟动力黏弹塑性本构模型。该模型将等效黏弹性理论和蠕变理论相结合,利用等效黏弹性模型描述土单元循环应力应变关系中的非线性和滞回性,依据蠕变关系描述土单元的循环累积性。基于拟动力黏弹塑性本构模型,提出了一种分析静荷载与循环荷载共同作用下软土中张紧式吸力锚基础变形过程的拟动力黏弹塑性有限元方法。该方法并不详细追踪土单元的循环应力应变响应,而是将循环次数视为时间,通过等效黏弹性分析确定吸力锚基础的循环变形;根据土单元静应力和循环累积应变势,采用初应变法确定吸力锚基础的累积变形。结合循环变形和累积变形,确定吸力锚基础变形随时间的变化关系,即位移时程曲线。最后,将有限元计算结果与1g条件下吸力锚模型试验结果进行比较,结果显示两者基本一致。     

开口管桩土塞效应研究进展及展望

针对开口钢管桩在成桩过程中形成土塞的闭塞效应,回顾总结了影响土塞性状的因素、土塞的力学分析及评价和土塞机理及分析方法。目前,国内外对于土塞的研究多是针对土塞闭塞效应,从宏观的角度进行定性或半定量的研究,很少对开口管桩沉桩过程中土塞的形成和发展机理进行细观研究,尤其是对土塞机理的定量分析更是处于初级阶段。最后,基于先进的数码摄像可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术的应用,提出了土塞效应细观颗粒流(PFC)模拟方法,为开口管桩土塞效应研究提供了一种新思路。     

吸力贯入式平板锚旋转特性的离散元数值模拟

采用离散元方法对吸力贯入式平板锚的旋转过程进行了数值模拟。通过对比离心机的试验结果,验证了颗粒离散元模拟的有效性,阐明了锚体旋转特性,分析了锚体旋转过程中锚与土相互作用机理及土体应力场分布情况。研究结果表明:离散元数值模拟结果较大变形有限元更接近于离心机试验结果;吸力贯入式平板锚在旋转过程中的埋深丢失与偏心比e/B的值密切相关,当e/B=1时,旋转过程埋深丢失可以忽略,当e/B较小时,埋深丢失较大;旋转过程中锚的水平位移远小于其竖向位移;锚体在旋转过程中可能与其下方土体发生分离。     

循环荷载作用下软土中吸力锚承载力拟静力有限元分析

建议了一种利用软土不排水循环强度，评价静荷载与循环荷载共同作用下软土中吸力锚承载力的拟静力弹塑性有限元方法。该方法首先依据软土的不排水静强度，通过弹塑性有限元计算，确定平均系泊荷载作用下土体单元的八面体平均剪应力，再据此确定与一定循环破坏次数对应的土单元循环强度；然后，按土单元循环强度再次通过弹塑性有限元计算，确定锚系泊点沿系泊方向的荷载位移曲线；最终由荷载位移曲线、按位移破坏标准确定锚的循环承载力。这一方法的特点是考虑了平均系泊荷载对软土循环强度、进而对静荷载与循环荷载共同作用下锚承载力的影响。为说明这一方法的可行性，进行了不同锚径、不同长径比、不同平均荷载、不同摩擦系数、不同加载方向、不同破坏模式条件下的软土中吸力锚循环承载力模型试验。利用拟静力有限元方法对模型试验结果进行了预测，预测结果比试验结果偏小，平均偏小不超过10%。模型试验结果还表明，软土中锚的归一化循环承载力随循环破坏次数的变化只取决于归一化平均荷载，可以忽略加载方向、锚的直径、锚外壁摩擦系数对归一化循环承载力变化关系的影响。若归一化平均荷载为0.5，当循环破坏次数为1000时，对于竖向破坏的锚，循环承载力大约为静承载力的75%；对于水平破坏的锚，循环承载力大约为静承载力的80%，这与已有的离心模型试验结果基本一致。     

Seasonal influence on cone penetration test: An unsaturated soil site example

Interpretation of electric cone penetration test (CPT) based pore water pressure measurement (CPTu) is well established for soils with behavior that follows classical soil mechanics. The literature on the interpretation of these tests performed on unsaturated tropical soils is limited, and little is known about the influence of soil suction on in situ test data. In this context, the CPT data are presented and discussed to illustrate the seasonal variability in an unsaturated tropical soil site. The test data show that soil suction significantly influenced CPT data up to a depth of 4 m at the study site. It shows the importance of considering seasonal variability in unsaturated soil sites caused by soil suction, which was related to water content through a soil-water retention curve (SWRC). It is also important to consider this aspect in the interpretation of CPT data from these soils.     

Monotonic,cyclic and post-cyclic performances of single-helix anchor in residual soil of sandstone

Helical anchors are commonly used in Brazil for guyed transmission towers subjected to static and cyclic wind loads.In most cases,these anchors are installed in tropical residual soil,a micro-structured material in which the shear strength is provided by soil bonding.During installation of a helical anchor,as the helical plate moves downward into the ground,the soil penetrated is sheared and displaced.Consequently,in this type of soil,anchor installation affects the soil shear strength significantly associated with a bonded structure.However,the cyclic responses of helical anchors in this type of structured soils are rarely reported.To address this problem,tests were conducted in a Brazilian residual soil to investigate the monotonic,cyclic and post-cyclic performances of single-helix anchors.Field tests used two instrumented single-helix anchors installed in this typical residual soil of sandstone,which is frequently observed in large areas in the southern Brazil.The testing results indicate that the disturbance caused by the anchor installation affected the monotonic uplift performance markedly.The results of cyclic loading tests also show no significant degradation of helix bearing resistance and reduced displacement accumulation with increasing load cycles.This is perhaps due to the soil improvement caused by previous loading,which then increases the stiffness response of the anchor.     

干–湿循环过程中吸力与强度关系研究

针对膨胀土干–湿循环过程中的吸力变化和强度变化特征,开展试验研究。采用体积压力板仪实现脱湿和吸湿并制备不同吸力的试样,通过直剪试验测试不同吸力下的抗剪强度。试验成果显示:①土水特征曲线是不稳定的,它与土体含水率的变化路径有关;②在干湿循环过程中,相同的吸力具有不同的强度贡献。     

加载方向对张紧式吸力锚极限承载力的影响分析

利用真空预压法在模型试验土池内制备了软黏土层,选择不同加载方向,进行力控制下张紧式吸力锚极限承载力模型试验,分析了加载方向对其破坏模式以及极限承载力的影响。结果表明,对于最佳系泊点受倾斜荷载作用的吸力锚,当加载方向从 40 °变化至 20 °时,尽管锚的水平位移和承载力明显增加,但锚始终表现为竖向拔出的破坏模式,且锚底以下土层的反向承载力是影响其极限承载力的关键因素。按照模型试验条件,分别通过塑性极限上限分析与极限平衡分析预测锚的极限承载力并与试验结果进行比较,发现如果将锚底的反向承载力系数取为常数,预测结果不能反映加载方向的变化对极限承载力的影响。因此,为了客观预测锚的极限承载力,依据模型试验结果,提出了一种反映加载方向对锚底反向承载力影响的修正关系。     

南阳膨胀土变形与强度特性的三轴试验研究

对南阳膨胀土做了4种应力路径的三轴试验，即控制吸力的各向同性压缩试验、控制净平均应力的收缩试验、控制净平均应力的膨胀试验、同时控制净室压力和吸力的排水剪切试验，结果表明：膨胀土各向同性压缩屈服特性仍可用一般非饱和土的LC屈服线描述；不同围压下的收缩路径的屈服吸力随围压增大而减小，且屈服后的收缩指数接近各向同性压缩屈服后的压缩指数；非饱和状态下的内摩擦角近似等于饱和状态下的有效内摩擦角，总粘聚力随吸力增加而线性增大；在各向同性压缩试验和三轴剪切试验过程中，土样含水量随净平均应力的变化都近似为线性关系。