竖向荷载下裙式吸力基础周围土体变形研究

对饱和细海砂中传统吸力基础与裙式吸力基础开展了竖向单调加载试验和有限元模拟的对比研究,获得了基础周围砂土的变形规律及基础破坏形式,讨论了"裙"结构对基础周围土体变形的影响。研究发现:极限状态下,传统吸力基础周围土体变形范围小于裙式吸力基础周围土体变形范围,减少幅度为31%~55%,说明裙式吸力基础调动了较大范围土体发挥作用以提高其水平承载力。裙宽会引起土体的变形增大,而裙高可以对周围土体进行约束;裙宽相同时,土体变形范围随裙高的增大逐渐减小。在竖向压力荷载作用下,传统吸力基础与裙式吸力基础在砂土中的破坏形式符合Prandtl整体剪切破坏。     

循环拉拔荷载作用下裙式吸力基础及周围土体的位移规律分析

吸力基础安装方便、造价低、承载性能优良,是海洋平台最理想的基础形式之一。通过有限元模拟的方法,对裙式吸力基础在循环拉拔荷载下的基础及周围土体的位移规律进行研究。分析得出,基础在循环拉拔荷载作用下对基础周围土体变形的影响范围约为6～7倍主桶直径,裙式吸力基础的主桶高与裙高是控制基础与周围土体水平位移的主要因素,裙宽是控制基础周围土体竖向位移的主要因素。     

水平荷载下饱和软黏土中裙式吸力基础承载特性

海上风力资源的开发目前是世界各国关注的能源热点问题。裙式吸力基础能有效提高基础的水平承载力及显著控制所产生的水平位移,非常适合作为海上风电塔架的基础。针对裙式吸力基础在饱和软黏土中的水平受荷情况,采用数值分析的方法,讨论了不同裙尺寸对裙式吸力基础的水平承载力、周围土体变形、转动点位置的影响。研究发现:裙式吸力基础水平承载力比传统吸力基础有显著提高,且随裙高和裙宽的增大而增大;对比传统吸力基础,裙式吸力基础达到极限承载力时,对周围土体的影响范围更大,然而沿加载方向基础前侧土体隆起量明显小于传统吸力基础;增大裙高,基础达到极限承载力时转动点沿基础埋深发生上移。研究成果对作为风电塔架的裙式吸力基础设计具有一定参考价值。     

不同加载位置及角度下裙式吸力基础抗拔特性

裙式吸力基础作为海洋平台的基础可以有效地提高基础承载力和减小其侧移量。基于数值模拟研究了6个荷载作用位置以及6种荷载作用角度影响下,分层土中裙式吸力基础的倾斜抗拔承载特性及土体变形规律。结果表明：裙式吸力基础的倾斜抗拔承载力随荷载作用点深度的增加呈现先增大后减小;不同荷载作用角度下,最大倾斜抗拔承载力时的荷载作用点位于基础顶面以下0.50~0.57倍基础埋深处;在不同荷载作用点处吸力基础的倾斜抗拔承载力与荷载作用角度均呈反比的规律;随着荷载作用角度的增大,极限状态下,基础周围土体滑动面与水平方向夹角也逐渐增大。     

吸力锚沉放过程中土塞形成的有限元分析

吸力锚在沉贯施工过程中出现的土塞影响了施工的顺利进行,并且对其安全使用构成了严重威胁.用有限元计算程序按照不同的土层分布情况对沉贯施工过程中形成的土塞分别进行了分析计算,从理论上对土塞形成的机理和规律进行了探讨.     

基于FLAC3D的饱和-非饱和渗流场初始化方法

建立与真实状态相近的初始渗流场是正确分析边坡降雨入渗的重要前提。鉴于目前FLAC^3D中的饱和-非饱和渗流场初始化方法寥寥无几,提出并详细介绍了饱和-非饱和渗流场初始化的设置方法。根据5种分布形式的基质吸力,按照其基质吸力线性分布和非线性分布规律提出了2种对应的初始化方法:对于线性分布的基质吸力运用MIDAS建模和FLAC^3D内置FISH语言进行渗流场初始化设置;对于非线性分布的基质吸力,用函数来表示其复杂几何形态的地下水位面具有一定的难度,不适合大面积推广应用,将地下水位面简化成一平面后,可利用FISH语言编程进行渗流场初始化设置。通过与常规渗流场初始化方法的计算结果对比,初始渗流场对边坡降雨入渗最终计算结果有较大影响,初始渗流场与真实状态越相近,其计算精度越高。     

基于球状井非稳定井流理论的管涌流场分布研究

渗流场分布确定是管涌研究的基础与关键。双层堤基管涌时土体破坏范围仅局限于管涌口周围,且在管涌口形成后土体中的渗流场会经历一个动态的变化过程。基于此,将管涌口概化为半球状的涌水井,结合非稳态渗流方程和叠加原理,对定水头条件下双层堤基管涌口形成后地层中的流场分布进行了研究,得到了管涌口形成以后的渗流场分布。通过算例,研究了管涌口形成以后堤基内水头以及水力梯度随时间的变化规律;通过与稳定条件下完整井流的对比,得到了球状井与完整井条件下水头与水力梯度的分布规律。研究表明:管涌口形成时的非稳定渗流是造成细砂突涌的重要原因之一;利用稳定完整井条件下的渗流场分布进行管涌判别时,会明显夸大管涌的发生范围。     

基质吸力对花岗岩残积土强度影响分析

花岗岩残积土分布相当广泛,是工程建设中经常遇到的土体之一。借助非饱和三轴仪进行花岗岩残积土抗剪强度试验分析,探究基质吸力对其强度参数影响。试验结果表明基质吸力和净围压的增大对花岗岩残积土强度有提升作用,花岗岩残积土黏聚力随基质吸力增大呈线性增长趋势,内摩擦角随基质吸力增大呈曲线增长趋势。基质吸力对土体弹性模量的影响也是正相关的,即弹性模量随基质吸力增大呈递增规律。根据试验结果,得出抗剪强度参数与基质吸力的关系式及不同基质吸力下土体的弹性模量表达式。     

海上风电吸力桶导管架基础施工技术研究

以大连庄河海上风电项目为例,开展了对海上风电吸力桶导管架基础施工工艺、沉贯安装关键技术及施工过程中的监测内容、监测方法及精度控制等深入研究,提出了对测量精度、质量检验与验收的要求与注意事项.解决了海上风电吸力桶导管架基础施工诸多技术问题,可供类似工程借鉴.     

基于非饱和－饱和渗流的降雨入渗边坡稳定性分析

对于雨水入渗导致的土质边坡稳定性问题,基于土质边坡非饱和－饱和渗流和ＤＰ５本构模型,引入非饱和土的基质吸力分量、抗剪强度方程和渗流方程,进行了非饱和－饱和渗流场与应力场耦合的边坡稳定性数值分析。结果表明:降雨入渗后,在土体历经由非饱和状态向饱和状态转变的过程中,土体的重度增加导致附加应力增加,饱和度增大致使基质吸力减小,渗流与应力的耦合作用增大了边坡的不稳定性;边坡滑移破坏开始在饱和的表层区域出现,滑移破坏从浅层渐近向深层发展;塑性破坏在坡脚部分最先出现,由坡脚逐渐向坡顶延伸,最后塑性区域贯通并扩大,造成边坡失稳。研究结果可为工程实践提供有效实用的依据和方法。     

粉质黏土中筒型基础沉放的影响范围研究

随着我国近海风电场规模化建造,宽浅式筒型基础得到了越来越多的应用。为了抵抗百米高塔筒产生的巨大弯矩,筒型基础直径达到了40 m。为了准确评估筒型基础在施工期和服役期的地基承载力,有必要研究筒型基础沉放过程对周围土体产生的影响。本文开展了系统的室内模型试验研究,模拟了筒型基础的自重沉放与负压沉放过程,监测了筒基沉放过程中筒内外土体孔隙水压力变化及沉放前后土体强度的改变;基于孔穴扩张理论推导了筒型基础沉放最大径向影响范围的计算公式。研究结果表明:筒型基础在自重沉放阶段对周围径向土体的影响范围为距筒中心2.2倍半径;负压沉放阶段对土体的影响范围为距筒中心1.6倍半径。     

负压桶基础沉贯试验研究与分析

作为新型基础,负压桶基础具有较好的技术经济性。针对负压桶施工关键控制指标土塞隆起率的控制,通过开展粉质黏土中的负压桶沉贯模型试验,研究不同负压加载模式对施工效率及土塞隆起率的影响。试验加载负压均位于DNV规范方法获得的所需负压和临界负压之间。相同贯入深度条件下,消散模式施加的负压值大于持荷模式,且较大单级荷载下的负压消散模式在保持一定施工效率的同时,对土塞隆起率的控制效果较优。理论分析表明,深度变化率越大内侧摩阻力越大,土塞越难以形成,并从超孔隙水压力结果解释了负压消散模式下的土塞隆起率降低机理。土压力分析结果表明:负压消散模式下桶内土体对桶壁的有效应力高于负压保持加载模式,前者的侧摩阻力也更大。     

三峡库区黄土坡滑带空隙结构与渗流特性

黄土坡滑坡的稳定性对三峡工程的安全运行具有重要影响,一直受到广泛关注,但滑带的空隙及渗透特性对滑坡稳定性的影响机制尚不清楚。从地下水渗流对滑带土作用的角度,利用中国地质大学(武汉)巴东野外综合试验场,结合室内试验的方法开展滑带土空隙结构与渗流特性研究。结果表明:①滑带碎石磨圆度、碎石分布形态、碎石表面擦痕、滑带土层理结构以及基岩面擦痕等特征明显,表明滑坡证据显著;②滑带土致密,层理结构明显,且层理间空隙尚未形成优先导水通道,而滑带土上、下盘接触面均存在贯穿性空隙或裂隙带,说明滑带空隙具有明显的空间分布特征;③滑带土饱和渗透系数低于上覆松散滑坡堆积体地层和强风化基岩地层2~3个数量级,导致降雨在滑带上盘集中排泄,基岩裂隙水在滑带下盘集中渗流,且在基质吸力作用下,上、下盘水分同时缓慢入渗滑带土,说明滑带土对滑坡体降雨入渗以及基岩地下水渗流具有显著的控制作用;④滑带土渗透破坏比降超过16,滑带土在自然水头作用下难以发生渗透破坏,具有很强的抗渗透破坏能力,说明地下水对滑带土影响主要体现在增加滑带土含水量,降低其力学指标,而渗透破坏作用有限。该成果对地下水作用下的滑坡形成机理研究具有重要意义。     

地下厂房洞室群渗流场及渗控措施效果数值分析

采用三维渗流场有限元方法,模拟地下厂房洞室群稳定渗流场。建立三维渗流场有限元分析模型,精确模拟排水孔的位置。通过多工况的计算,详细分析地下厂房洞室群渗流特性以及其中帷幕及排水幕的渗流控制效果,同时探讨坝基及消力戽排水孔间距对渗流场的影响。计算结果表明：地下厂房洞室群天然水位较高,渗流控制措施对厂房洞室群渗流场可起到很好的控制作用,排水孔的排水减压作用明显,防渗帷幕能够有效降低扬压力以及水力坡降的分布,有利于围岩稳定。另外,坝基及消力戽排水孔间距对渗流场影响并不明显。     

堤防渗流计算的基本方法与渗流控制措施

关于堤防中的渗流问题,中国和荷兰两国对堤防渗透破坏模式和管涌机理的分析方法不同,但本质上是一致的.荷兰学者的研究主要集中在作用于结构上的水头与管涌侵蚀长度之间的关系,而中国学者的研究则主要集中于渗透破坏模式和土颗粒组成之间的相互关系.对于水头与渗径关系的确定,Sellmeijer公式较传统的Bligh和Lane经验公式具有更好的适用性.在渗透稳定分析中,有限元渗流计算结果应结合渗流比降与土体抗渗特性之间的关系进行分析.对于堤防的渗流控制,应采取上游防渗铺盖、下游盖重、反滤层、减压井等综合措施.     

水位降落条件下非稳定渗流试验研究

水位降落时产生的非稳定渗流场对坝坡的渗流和稳定影响较大。通过砂槽模型室内试验模拟了粉砂、细砂、黏土等多种材质的边坡在水位降落过程中的非稳定渗流物理过程,分析了水位降落过程中上游边坡的渗流场特点,比较了不同边坡材料、渗透特性、坡比和水位降落速度的泄水过程中边坡渗流场自由面形式和等势线变化特点,重点研究了给水度μ、渗透系数k、库水位降落的速度v对自由面最高点、上游边坡中的孔隙水压力、坡降的影响,定量分析了水位降落时k/μv判断骤降、缓降、快降的标准,探讨了非稳定渗流浸润线的计算公式。结果表明：渗透系数小、给水度大的土坡在水位降落过程中产生的上游边坡孔隙水压力值和渗透坡降较大,非稳定流场自由面最高点位置也更高;水位降落时的上游边坡渗流方向指向坡面;浸润线最高点高度与坡前水深的比值h0/H与降落时间t/T间存在线性关系,k/μv作为判断骤缓降的指标与其线性系数呈指数关系。     

土体加固对筒型基础承载特性的影响研究

为正确评估软体地基加固对提高筒型基础承载力的影响,建立考虑土体渗流~应力耦合效应的三维数值模型,模拟了筒顶负压抽水的土体加固过程,分析了筒内土体加固对筒型基础承载特性的影响。研究结果表明:在负压加固作用2.5 d后,筒顶沉降趋于平缓,孔隙负压扩散范围广,筒内土孔隙比下降幅度大,加固效果较好。此时,筒土之间接触更为紧密,极端荷载下筒顶脱开率大幅下降。在单一加载情况下,土体加固提高竖向设计承载力42.6%,水平设计承载力129.2%,抗弯设计承载力69.6%,竖向极限承载力4.4%,水平极限承载力61.3%,以及抗弯极限承载力99.1%。在复合加载情况下,土体加固前后V~M、V~H、V~H~M包络线存在一定的差异,未加固土体筒基的包络曲线分布在加固后的筒基外侧。通过试验数据对计算模型进行验证,吻合良好。这意味着现有的筒型基础设计仍有较大的优化空间。     

水布垭面板堆石坝渗流场分析和分区材料允许比降设计指标研究

 采用饱和非饱和非稳定渗流模型对水布垭面板堆石坝在正常运行、面板局部缺损和面板失效等工况下的渗流场进行了较全面的模拟计算,分析了大坝各分区的水头和比降的分布,确定了垫层、过渡区和主堆石区可能出现的最大比降。这种最大比降对坝体渗透稳定性具有控制意义。据此提出了分区材料允许比降设计指标的建议值,为评价面板堆石坝分区之间水力过渡合理性和渗透稳定性提供了依据。